Kotlin學習筆記 - 泛型

1. 基本用法

class Box<T> {

    private var element: T? = null

    fun add(element: T) {
        this.element = element
    }

    fun get(): T? = element
}

2. 型變

型變包括 協變、逆變、不變 三種：

  • 協變：泛型類型與實參的繼承關系相同
  • 逆變：泛型類型與實參的繼承關系相反
  • 不變：泛型類型與實參類型相同

Java的型變

首先明確一點，Java不直接支持型變。通俗地講，雖然Integer是Number的子類，但是在Java中，List<Integer>和List<Number>是沒有關系的（List<Integer>不是List<Number>的子類）所以List<Integer>不能直接賦值給List<Number>。

如果Java支持型變，則會出現以下情況：

// error：以下代碼實際上會編譯報錯
List<Number> numList = new ArrayList<Integer>();
// 假設以上代碼能夠編譯通過，以下代碼就會在運行時引發異常
// numList實際上操作的集合元素必須是Integer類型
numList.add("haha"); // ClassCastException

Java采用通配符的方式來處理型變的需要（泛型通配符）

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    // Java泛型通配符上限（協變），<? extends E> 可用于接收 E 或 E 的子類型
    boolean addAll(Collection<? extends E> c);
    
    // Java泛型通配符下限（逆變），<? super E> 可用于接收 E 或 E 的父類型
    boolean removeIf(Predicate<? super E> filter);
}

以上是泛型通配符在Collection接口源碼中的使用

  • 通配符上限
public static void test(List<? extends Number> list) {
    /*
     * 對于“通配符上限”語法而言，從該集合中取出元素是安全的。
     * 集合中的元素是Number或其子類型，但是不能往該集合中存入新的元素，
     * 因為無法預測該集合元素的實際類型是Integer還是Double，又或者是Number的其他子類型
     */
    for (Number num : list) {
        System.out.println(num);
    }
    // list.add() // 不能添加元素，因為不能確定元素的類型
}
  • 通配符下限
public static void test(List<? super Integer> list) {
    /*
     * 對于"通配符下限"語法而言，將對象傳給泛型對象是安全的。
     * 該集合中的元素是Integer或其父類型，但是從該集合中取出元素是不安全，
     * 因為無法預測該集合元素的實際類型是Number還是Object
     */
    list.add(666);
    // 以下代碼編譯不通過，因為在取出元素時無法確認元素的類型，可能是Number類型，也可能是Object類型
    // Number number = list.get(0);
}

泛型的規律

  1. 通配符上限（泛型協變）意味著從中取出<font color=red>（out）</font>對象是安全的，但傳入對象是不安全的
  2. 通配符下限（泛型逆變）意味著向其中傳入<font color=red>（in）</font>對象是安全的，但取出對象是不安全的

Kotlin的型變

Kotlin處理泛型型變的規則就是根據泛型的規律而設計：

  1. 如果泛型只需要出現在方法的返回值申明中（不出現在形參的聲明中），那么該方法就只是取出泛型對象，因此該方法就支持泛型協變（相當于通配符上限）；如果一個類的所有方法都支持泛型協變，那么該類的泛型參數可使用out修飾。
  2. 如果泛型只需要出現在方法的形參聲明中（不出現在返回值聲明中），那么該方法就只是傳入泛型對象，因此該方法就支持泛型逆變（相當于通配符下限）；如果一個類的所有方法都支持泛型逆變，那么該類的泛型參數可使用in修飾。

聲明處型變

  • 如果一個類的所有方法都支持泛型協變，那么該類的泛型參數可使用out修飾
class Box<out T> {
    private var element: T? = null
    
    fun get(): T? = element
}

fun main(args: Array<String>) {
    // 由于泛型使用out修飾，所以 Box<Int> 對象可以直接賦值給 Box<Number>
    var box: Box<Number> = Box<Int>()
}
  • 如果一個類的所有方法都支持泛型逆變，那么該類的泛型參數可使用in修飾
class Box<in T> {
    private var element: T? = null

    fun put(e: T) {
        this.element = element
    }
}

fun main(args: Array<String>) {
    // 由于泛型使用in修飾，所以 Box<Any> 對象可以直接賦值給 Box<Number>
    var box: Box<Number> = Box<Any>()
}

聲明處型變的限制：</br>如果一個類中有的方法使用泛型聲明返回值類型，有的方法使用泛型聲明形參類型，那么該類就不能使用聲明處型變。

使用處型變

class Box<T> {
    private var element: T? = null

    fun put(element: T) {
        this.element = element
    }

    fun get(): T? = element
}

fun main(args: Array<String>) {
    // 使用 out 修飾泛型
    var outBox: Box<out Number> = Box<Int>()
    // 不能調用put方法存入數據（編譯報錯）
    // outBox.put(18)
    val num: Number? = outBox.get()

    // 使用 in 修飾泛型
    var inBox: Box<in Int> = Box<Number>()
    inBox.put(18)
    // 不能確定返回值的類型，只能使用Any類型接收
    val e: Any? = inBox.get()
}

@UnsafeVariance注解

對于協變的類型，通常是不允許將泛型類型作為方法參數的類型，但是在某些情況下，我們需要在協變的情況下將泛型作為方法的參數類型，那么我們可以使用 @UnsafeVariance 注解來修飾泛型。

class Box<out T> {
    private var element: T? = null

    // 如果開發者自己可以保證類型安全，那么可以使用@UnsafeVariance注解讓編譯器不報錯
    fun put(element: @UnsafeVariance T) {
        this.element = element
    }

    fun get(): T? = element
}

星投影

在Java中，當我們不確定泛型的具體類型是，可以使用 ? 來代替具體的泛型，比如

List<?> list = new ArrayList<String>();

在Kotlin也有類似的語法，可以使用 * 來指代相應的泛型映射

// 星投影
val list: List<*> = ArrayList<String>()

以下是官方對于星投影語法的解釋：

  • <p>對于 Foo <out T>，其中 T 是一個具有上界 TUpper 的協變類型參數，Foo <> 等價于 Foo <out TUpper>。 這意味著當 T 未知時，你可以安全地從 Foo <> 讀取 TUpper 的值。</p>
  • <p>對于 Foo <in T>，其中 T 是一個逆變類型參數，Foo <> 等價于 Foo <in Nothing>。 這意味著當 T 未知時，沒有什么可以以安全的方式寫入 Foo <>。</p>
  • <p>對于 Foo <T>，其中 T 是一個具有上界 TUpper 的不型變類型參數，Foo<*> 對于讀取值時等價于 Foo<out TUpper> 而對于寫值時等價于 Foo<in Nothing>。</p>
簡而言之，星投影就是：
  • 當 * 接收可協變的泛型參數 ( out T ) 時，* 映射的類型為 Any?
class Box<out T> {
    private var element: T? = null

    fun get(): T? = element
}

fun main(args: Array<String>) {
    val intBox: Box<Int> = Box()

    val numBox: Box<Number> = intBox
    val num: Number? = numBox.get()

    // 星投影，這里的 <*> 相當于 <out Int>，元素類型映射為 Any?
    val box: Box<*> = intBox
    val element: Any? = box.get()
}
  • 當 * 接收可逆變的泛型參數 ( in T ) 時，* 映射的類型為 Nothing
class Box<in T> {
    private var element: T? = null

    fun put(element: T) {
        this.element = element
    }
}

fun main(args: Array<String>) {
    // 星投影，這里的 <*> 相當于 <in Number>，元素類型映射為 Nothing
    val box: Box<*> = Box<Number>()
    box.put(/*element:Nothing*/) // 沒有值可以傳入
}
  • 當 * 接收不變的泛型參數 ( T ) 時，* 對于讀取值類型映射為 Any?，而寫值時類型映射為 Nothing
lass Box<T> {
    private var element: T? = null

    fun put(element: T) {
        this.element = element
    }

    fun get(): T? = element
}

fun main(args: Array<String>) {
    // 星投影
    val box: Box<*> = Box<Number>()
    // 這里的 <*> 在賦值時相當于 <in Int>，元素類型映射為 Nothing
    box.put(/*element:Nothing*/) // 沒有值可以傳入
    // 這里的 <*> 在取值時相當于 <out Int>，元素類型映射為 Any?
    val element: Any? = box.get()
}

3. 泛型函數

泛型函數就是在函數聲明時定義一個或多個泛型，泛型的聲明必須在 fun 與函數名之間

fun <T> test(a: T) {
    println(a)
}

fun main(args: Array<String>) {
    test<Int>(1) // <Int>可省略，類型通過參數自動推斷
    test(2)
}

泛型函數也可以用于擴展函數

fun <T> T.test(): String {
    return "test(): ${this.toString()}"
}

fun main(args: Array<String>) {
    val num = 666
    // 顯示指定泛型為 Int 類型，<Int>可省略
    println(num.test<Int>())

    // 不顯示指定泛型的類型，編譯器自動推斷出泛型為 String 類型
    val str = "haha"
    println(str.test())
}

4. 具體化類型參數

Kotlin允許在內聯函數中使用 reified 修飾泛型參數，這樣就可以將該泛型參數變成一個具體化的類型參數。具體化類型參數后就可以在函數中將泛型當做一個普通類型來使用，比如可以使用 is、as 運算符。

比如，我們需要在list中找到指定類型的元素，原先的寫法如下

fun <T> findData(list: List<*>, clazz: Class<T>): T? {
    for (e in list) {
        if (clazz.isInstance(e)) {
            @Suppress("UNCHECKED_CAST")
            return e as T
        }
    }
    return null
}

fun main(args: Array<String>) {
    val list = listOf(1, 6.6f, "haha")
    println(findData(list, String::class.java)) // haha
    println(findData(list, Float::class.javaObjectType)) // 6.6
}

使用具體化類型參數之后，代碼如下：

// 很明顯，代碼變得更簡潔了
inline fun <reified T> findData(list: List<*>): T? {
    for (e in list) {
        if (e is T) {
            return e
        }
    }
    return null
}

fun main(args: Array<String>) {
    val list = listOf(1, 6.6f, "haha")
    println(findData<String>(list))
    println(findData<Float>(list))
}

使用reified修飾的泛型參數，還可以對其使用反射

inline fun <reified T> test() {
    println(T::class.java)
}

fun main(args: Array<String>) {
    test<String>() // class java.lang.String
    test<Double>() // class java.lang.Double
}

5. 泛型邊界（上界）

java中可以使用 extends 指定泛型的上界

class Box<T extends Number> {
    // ...
}

Koltin的實現：

class Box<T : Number> {
    // ...
}

如果需要指定多個邊界，需要使用where子句（只能有一個父類上界，可以有多個接口上界）

class Box<T> where T : Number, T : Comparable<T> {
    // ...
}

PS：在Kotlin中，如果不指定邊界，則默認邊界是 Any#

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