Java怎么使用通配符實現增強泛型

Java怎么使用通配符實現增強泛型

在Java中，泛型（Generics）是一種強大的工具，它允許我們在編譯時檢查類型安全，并減少類型轉換的需要。然而，泛型在某些情況下可能會顯得不夠靈活，尤其是在處理不同類型的集合時。為了增強泛型的靈活性，Java引入了通配符（Wildcards）。通配符允許我們在泛型類型中使用不確定的類型參數，從而使得泛型更加靈活和強大。

本文將詳細介紹Java中如何使用通配符來增強泛型，包括通配符的基本概念、使用場景、以及如何通過通配符實現更靈活的泛型編程。

1. 通配符的基本概念

通配符是Java泛型中的一種特殊類型參數，它用?表示。通配符可以用于泛型類、泛型接口和泛型方法的類型參數中。通配符的主要作用是表示一種未知的類型，從而使得泛型類型可以接受更廣泛的類型參數。

1.1 通配符的類型

Java中的通配符主要有以下幾種類型：

• 無界通配符（Unbounded Wildcard）：<?>，表示任意類型。
• 上界通配符（Upper Bounded Wildcard）：<? extends T>，表示類型參數必須是T或其子類型。
• 下界通配符（Lower Bounded Wildcard）：<? super T>，表示類型參數必須是T或其父類型。

1.2 通配符的使用場景

通配符主要用于以下幾種場景：

• 泛型集合的讀取：當我們只需要從泛型集合中讀取元素時，可以使用無界通配符或上界通配符。
• 泛型集合的寫入：當我們需要向泛型集合中寫入元素時，可以使用下界通配符。
• 泛型方法的參數：當我們需要在泛型方法中處理不同類型的參數時，可以使用通配符。

2. 無界通配符的使用

無界通配符<?>表示任意類型，它可以用于泛型類、泛型接口和泛型方法的類型參數中。無界通配符的主要作用是使得泛型類型可以接受任意類型的參數。

2.1 無界通配符的示例

public class Box<T> {
    private T item;

    public void setItem(T item) {
        this.item = item;
    }

    public T getItem() {
        return item;
    }
}

public class WildcardExample {
    public static void printBox(Box<?> box) {
        System.out.println("Box contains: " + box.getItem());
    }

    public static void main(String[] args) {
        Box<String> stringBox = new Box<>();
        stringBox.setItem("Hello");

        Box<Integer> integerBox = new Box<>();
        integerBox.setItem(123);

        printBox(stringBox); // 輸出: Box contains: Hello
        printBox(integerBox); // 輸出: Box contains: 123
    }
}

在上面的示例中，printBox方法使用了無界通配符<?>，使得它可以接受任意類型的Box對象。無論是Box<String>還是Box<Integer>，都可以傳遞給printBox方法。

2.2 無界通配符的限制

雖然無界通配符使得泛型類型更加靈活，但它也有一些限制。由于無界通配符表示任意類型，因此我們不能向使用無界通配符的泛型類型中添加元素（除了null），因為編譯器無法確定具體的類型。

public class WildcardExample {
    public static void addItem(Box<?> box, Object item) {
        // 編譯錯誤: 無法確定類型
        // box.setItem(item);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Box<String> stringBox = new Box<>();
        addItem(stringBox, "Hello"); // 編譯錯誤
    }
}

在上面的示例中，addItem方法試圖向Box<?>中添加元素，但由于無界通配符表示任意類型，編譯器無法確定具體的類型，因此會導致編譯錯誤。

3. 上界通配符的使用

上界通配符<? extends T>表示類型參數必須是T或其子類型。上界通配符的主要作用是限制泛型類型的類型參數范圍，從而使得泛型類型可以接受特定類型的參數。

3.1 上界通配符的示例

public class Box<T> {
    private T item;

    public void setItem(T item) {
        this.item = item;
    }

    public T getItem() {
        return item;
    }
}

public class WildcardExample {
    public static void printBox(Box<? extends Number> box) {
        System.out.println("Box contains: " + box.getItem());
    }

    public static void main(String[] args) {
        Box<Integer> integerBox = new Box<>();
        integerBox.setItem(123);

        Box<Double> doubleBox = new Box<>();
        doubleBox.setItem(45.67);

        printBox(integerBox); // 輸出: Box contains: 123
        printBox(doubleBox); // 輸出: Box contains: 45.67
    }
}

在上面的示例中，printBox方法使用了上界通配符<? extends Number>，使得它可以接受Number及其子類型的Box對象。無論是Box<Integer>還是Box<Double>，都可以傳遞給printBox方法。

3.2 上界通配符的限制

上界通配符雖然可以限制泛型類型的類型參數范圍，但它也有一些限制。由于上界通配符表示類型參數必須是T或其子類型，因此我們不能向使用上界通配符的泛型類型中添加元素（除了null），因為編譯器無法確定具體的類型。

public class WildcardExample {
    public static void addItem(Box<? extends Number> box, Number item) {
        // 編譯錯誤: 無法確定類型
        // box.setItem(item);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Box<Integer> integerBox = new Box<>();
        addItem(integerBox, 123); // 編譯錯誤
    }
}

在上面的示例中，addItem方法試圖向Box<? extends Number>中添加元素，但由于上界通配符表示類型參數必須是Number或其子類型，編譯器無法確定具體的類型，因此會導致編譯錯誤。

4. 下界通配符的使用

下界通配符<? super T>表示類型參數必須是T或其父類型。下界通配符的主要作用是使得泛型類型可以接受特定類型的參數，并且可以向泛型類型中添加元素。

4.1 下界通配符的示例

public class Box<T> {
    private T item;

    public void setItem(T item) {
        this.item = item;
    }

    public T getItem() {
        return item;
    }
}

public class WildcardExample {
    public static void addItem(Box<? super Integer> box, Integer item) {
        box.setItem(item);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Box<Number> numberBox = new Box<>();
        addItem(numberBox, 123);

        Box<Object> objectBox = new Box<>();
        addItem(objectBox, 456);

        System.out.println("Number Box contains: " + numberBox.getItem()); // 輸出: Number Box contains: 123
        System.out.println("Object Box contains: " + objectBox.getItem()); // 輸出: Object Box contains: 456
    }
}

在上面的示例中，addItem方法使用了下界通配符<? super Integer>，使得它可以接受Integer及其父類型的Box對象。無論是Box<Number>還是Box<Object>，都可以傳遞給addItem方法，并且可以向其中添加Integer類型的元素。

4.2 下界通配符的限制

下界通配符雖然可以使得泛型類型更加靈活，但它也有一些限制。由于下界通配符表示類型參數必須是T或其父類型，因此我們不能從使用下界通配符的泛型類型中讀取元素（除了Object類型的元素），因為編譯器無法確定具體的類型。

public class WildcardExample {
    public static void printBox(Box<? super Integer> box) {
        // 編譯錯誤: 無法確定類型
        // System.out.println("Box contains: " + box.getItem());
    }

    public static void main(String[] args) {
        Box<Number> numberBox = new Box<>();
        numberBox.setItem(123);

        printBox(numberBox); // 編譯錯誤
    }
}

在上面的示例中，printBox方法試圖從Box<? super Integer>中讀取元素，但由于下界通配符表示類型參數必須是Integer或其父類型，編譯器無法確定具體的類型，因此會導致編譯錯誤。

5. 通配符的綜合應用

在實際開發中，我們經常需要同時使用上界通配符和下界通配符來實現更靈活的泛型編程。例如，在Java集合框架中，Collections.copy方法就使用了上界通配符和下界通配符來實現集合的復制。

5.1 Collections.copy方法的實現

public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
    int srcSize = src.size();
    if (srcSize > dest.size())
        throw new IndexOutOfBoundsException("Source does not fit in dest");

    for (int i = 0; i < srcSize; i++)
        dest.set(i, src.get(i));
}

在上面的示例中，Collections.copy方法使用了上界通配符<? extends T>和下界通配符<? super T>。src參數使用了上界通配符，表示src集合中的元素類型必須是T或其子類型；dest參數使用了下界通配符，表示dest集合中的元素類型必須是T或其父類型。這樣，Collections.copy方法就可以將src集合中的元素復制到dest集合中。

5.2 通配符的綜合應用示例

public class WildcardExample {
    public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
        for (T item : src) {
            dest.add(item);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Number> numberList = new ArrayList<>();
        List<Integer> integerList = Arrays.asList(1, 2, 3);

        copy(numberList, integerList);

        System.out.println("Number List: " + numberList); // 輸出: Number List: [1, 2, 3]
    }
}

在上面的示例中，copy方法使用了上界通配符和下界通配符，使得它可以將Integer類型的元素復制到Number類型的集合中。由于Integer是Number的子類型，因此copy方法可以正常工作。

6. 總結

通配符是Java泛型中的一種強大工具，它允許我們在泛型類型中使用不確定的類型參數，從而使得泛型更加靈活和強大。通過使用無界通配符、上界通配符和下界通配符，我們可以實現更靈活的泛型編程，處理不同類型的集合和參數。

在實際開發中，我們應根據具體的需求選擇合適的通配符類型，并注意通配符的限制，以避免編譯錯誤和運行時異常。通過合理使用通配符，我們可以編寫出更加通用、靈活和安全的泛型代碼。