Java编程思想(第4版) 之 15.2 简单泛型

15.1 与C++的比较 

一般的类和方法，只能使用具体的类型：要么是基本类型，要么是自定义的类。如果要编写可以应用于多种类型的代码，这种刻板的限制对代码的束缚就会很大。

在面向对象编程语言中，多态算是一种泛化机制。例如，你可以将方法的参数类型设为基类，那么该方法就可以接受从这个基类中导出的任何类作为参数。这样的方法更加通用一些，可应用的地方也多一些。在类的内部也是如此，凡是需要说明类型的地方，如果都使用基类，确实能够具备更好的灵活性。但是，考虑到除了final类不能扩展，其他任何类都可以被扩展，所以这种灵活性大多数时候也会有一些性能损耗。

有时候，拘泥于单继承体系，也会使程序受限太多。如果方法的参数是一个接口，而不是一个类，这种限制就放松了许多。因为任何实现了该接口的类都能够满足该方法，这也包括暂时还不存在的类。这就给予客户端程序员一种选择，他可以通过实现一个接口来满足类或方法。因此，接口允许我们快捷地实现类继承，也使我们有机会创建一个新类来做到这一点。

可是有的时候，即便使用了接口，对程序的约束也还是太强了。因为一旦指明了接口，它就要求你的代码必须使用特定的接口。而我们希望达到的目的是编写更通用的代码，要使代码能够应用于“某种不具体的类型”，而不是一个具体的接口或类。

这就是Java SE5的重大变化之一：泛型的概念。泛型实现了参数化类型的概念，使代码可以应用于多种类型。“泛型”这个术语的意思是：“适用于许多许多的类型”。泛型在编程语言中出现时，其最初的目的是希望类或方法能够具备最广泛的表达能力。如何做到这一点呢，正是通过解耦类或方法与所使用的类型之间的约束。稍后你将看到，Java中的泛型并没有这么高的追求，实际上，你可能会质疑，Java中的术语“泛型”是否适合用来描述这一功能。

如果你从未接触过参数化类型机制，那么，在学习了Java中的泛型之后，你会发现，对这门语言而言，泛型确实是一个很有益的补充。在你创建参数化类型的一个实例时，编译器会为你负责转型操作，并且保证类型的正确性。这应该是一个进步。

然而，如果你了解其他语言（例如C++）中的参数化类型机制，你就会发现，有些以前能做到的事情，使用Java的泛型机制却无法做到。使用别人已经构建好的泛型类型会相当容易。但是如果你要自己创建一个泛型实例，就会遇到许多令你吃惊的事情。在本章中，我的任务之一就是向你解释，Java中的泛型是怎样发展成现在这样的。

这并非是说Java的泛型毫无用处。在很多情况下，它们可以使代码更直接更优雅。不过，如果你具备其他语言的经验，而那种语言实现了更纯粹的泛型，那么，Java可能令你失望了。在本章中，我们会介绍Java泛型的优点与局限，希望这能够帮助你更有效地使用Java的这个新功能。

15.1   与C++的比较

Java的设计者曾说过，设计这门语言的灵感主要来自C++。尽管如此，学习Java时，基本上可以不用参考C++。我也是尽力这样做的，除非，与C++的比较能够加深你的理解。

Java中的泛型就需要与C++进行一番比较，理由有二：首先，了解C++模板的某些方面，有助于你理解泛型的基础。同时，非常重要的一点是，你可以了解Java泛型的局限是什么，以及为什么会有这些限制。最终的目的是帮助你理解，Java泛型的边界在哪里。根据我的经验，理解了边界所在，你才能成为程序高手。因为只有知道了某个技术不能做到什么，你才能更好地做到所能做的（部分原因是，不必浪费时间在死胡同里乱转）。

第二个原因是，在Java社区中，人们普遍对C++模板有一种误解，而这种误解可能会误导你，令你在理解泛型的意图时产生偏差。

因此，在本章中会介绍一些C++模板的例子，不过我也会尽量控制它们的篇幅。

 

15.2   简单泛型

有许多原因促成了泛型的出现，而最引人注目的一个原因，就是为了创造容器类。（关于容器类，你可以参考第11章和第17章这两章。）容器，就是存放要使用的对象的地方。数组也是如此，不过与简单的数组相比，容器类更加灵活，具备更多不同的功能。事实上，所有的程序，在运行时都要求你持有一大堆对象，所以，容器类算得上最具重用性的类库之一。

我们先来看看一个只能持有单个对象的类。当然了，这个类可以明确指定其持有的对象的类型：

 

不过，这个类的可重用性就不怎么样了，它无法持有其他类型的任何对象。我们可不希望为碰到的每个类型都编写一个新的类。

在Java SE5之前，我们可以让这个类直接持有Object类型的对象：

 

现在，Holder2可以存储任何类型的对象，在这个例子中，只用了一个Holder2对象，却先后三次存储了三种不同类型的对象。

有些情况下，我们确实希望容器能够同时持有多种类型的对象。但是，通常而言，我们只会使用容器来存储一种类型的对象。泛型的主要目的之一就是用来指定容器要持有什么类型的对象，而且由编译器来保证类型的正确性。

因此，与其使用Object，我们更喜欢暂时不指定类型，而是稍后再决定具体使用什么类型。要达到这个目的，需要使用类型参数，用尖括号括住，放在类名后面。然后在使用这个类的时候，再用实际的类型替换此类型参数。在下面的例子中，T就是类型参数：

 

现在，当你创建Holder3对象时，必须指明想持有什么类型的对象，将其置于尖括号内。就像main()中那样。然后，你就只能在Holder3中存入该类型（或其子类，因为多态与泛型不冲突）的对象了。并且，在你从Holder3中取出它持有的对象时，自动地就是正确的类型。

这就是Java泛型的核心概念：告诉编译器想使用什么类型，然后编译器帮你处理一切细节。

一般而言，你可以认为泛型与其他的类型差不多，只不过它们碰巧有类型参数罢了。稍后我们会看到，在使用泛型时，我们只需指定它们的名称以及类型参数列表即可。

练习1：(1) 配合typeinfo.pets类库，用Holder3来证明，如果指定Holder3可以持有某个基类类型，那么它也能持有导出类型。

练习2：(1) 创建一个Holder类，使其能够持有具有相同类型的3个对象，并提供相应的读写方法访问这些对象，以及一个可以初始化其持有的3个对象的构造器。

15.2.1   一个元组类库

仅一次方法调用就能返回多个对象，你应该经常需要这样的功能吧。可是return语句只允许返回单个对象，因此，解决办法就是创建一个对象，用它来持有想要返回的多个对象。当然，可以在每次需要的时候，专门创建一个类来完成这样的工作。可是有了泛型，我们就能够一次性地解决该问题，以后再也不用在这个问题上浪费时间了。同时，我们在编译期就能确保类型安全。

这个概念称为元组（tuple），它是将一组对象直接打包存储于其中的一个单一对象。这个容器对象允许读取其中元素，但是不允许向其中存放新的对象。（这个概念也称为数据传送对象，或信使。）

通常，元组可以具有任意长度，同时，元组中的对象可以是任意不同的类型。不过，我们希望能够为每一个对象指明其类型，并且从容器中读取出来时，能够得到正确的类型。要处理不同长度的问题，我们需要创建多个不同的元组。下面的程序是一个2维元组，它能够持有两个对象：

 

 

构造器捕获了要存储的对象，而toString()是一个便利函数，用来显示列表中的值。注意，元组隐含地保持了其中元素的次序。

第一次阅读上面的代码时，你也许会想，这不是违反了Java编程的安全性原则吗？first和second应该声明为private，然后提供getFirst()和getSecond()之类的访问方法才对呀？让我们仔细看看这个例子中的安全性：客户端程序可以读取first和second对象，然后可以随心所欲地使用这两个对象。但是，它们却无法将其他值赋予first或second。因为final声明为你买了相同的安全保险，而且这种格式更简洁明了。

还有另一种设计考虑，即你确实希望允许客户端程序员改变first或second所引用的对象。然而，采用以上的形式无疑是更安全的做法，这样的话，如果程序员想要使用具有不同元素的元组，就强制要求他们另外创建一个新的TwoTuple对象。

我们可以利用继承机制实现长度更长的元组。从下面的例子中可以看到，增加类型参数是件很简单的事情：

为了使用元组，你只需定义一个长度适合的元组，将其作为方法的返回值，然后在return语句中创建该元组，并返回即可。

由于有了泛型，你可以很容易地创建元组，令其返回一组任意类型的对象。而你所要做的，只是编写表达式而已。

通过ttsi.first = "there"语句的错误，我们可以看出，final声明确实能够保护public元素，在对象被构造出来之后，声明为final的元素便不能被再赋予其他值了。

在上面的程序中，new表达式确实有点罗嗦。本章稍后会介绍，如何利用泛型方法简化这样的表达式。

练习3：(1) 使用泛型编写一个SixTuple类，并测试它。

练习4：(3) “泛型化”innerclasses/Sequence.java类。

15.2.2   一个堆栈类

接下来我们看一个稍微复杂一点的例子：传统的下推堆栈。在第11章中，我们看到，这个堆栈是作为net.mindview.util.Stack类，用一个LinkedList实现的。在那个例子中，LinkedList本身已经具备了创建堆栈所必需的方法，而Stack可以通过两个泛型的类Stack<T>和LinkedList<T>的组合来创建。在那个示例中，我们可以看出，泛型类型也就是另一种类型罢了（稍候我们会看到一些例外的情况）。

现在我们不用LinkedList，来实现自己的内部链式存储机制。

内部类Node也是一个泛型，它拥有自己的类型参数。

这个例子使用了一个末端哨兵（end sentinel）来判断堆栈何时为空。这个末端哨兵是在构造LinkedStack时创建的。然后，每调用一次push()方法，就会创建一个Node<T>对象，并将其链接到前一个Node<T>对象。当你调用pop()方法时，总是返回top.item，然后丢弃当前top所指的Node<T>，并将top转移到下一个Node<T>，除非你已经碰到了末端哨兵，这时候就不再移动top了。如果已经到了末端，客户端程序还继续调用pop()方法，它只能得到null，说明堆栈已经空了。

练习5：(2) 移除Node类上的类型参数，并修改LinkedStack.java的代码，证明内部类可以访问其外部类的类型参数。

15.2.3   RandomList

作为容器的另一个例子，假设我们需要一个持有特定类型对象的列表，每次调用其上的select()方法时，它可以随机地选取一个元素。如果我们希望以此构建一个可以应用于各种类型的对象的工具，就需要使用泛型：

 

 

练习6：(1) 使用RandomList来处理两种额外的不同类型的元素，要区别于main()中已经用过的类型。

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