Kotlin学习笔记 - 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. 型变

型变包括 协变、逆变、不变 三种：

  • 协变：泛型类型与实参的继承关系相同
  • 逆变：泛型类型与实参的继承关系相反
  • 不变：泛型类型与实参类型相同

Java的型变

首先明确一点，Java不直接支持型变。通俗地讲，虽然Integer是Number的子类，但是在Java中，List<Integer>和List<Number>是没有关系的（List<Integer>不是List<Number>的子类）所以List<Integer>不能直接赋值给List<Number>。

如果Java支持型变，则会出现以下情况：

// error：以下代码实际上会编译报错
List<Number> numList = new ArrayList<Integer>();
// 假设以上代码能够编译通过，以下代码就会在运行时引发异常
// numList实际上操作的集合元素必须是Integer类型
numList.add("haha"); // ClassCastException

Java采用通配符的方式来处理型变的需要（泛型通配符）

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    // Java泛型通配符上限（协变），<? extends E> 可用于接收 E 或 E 的子类型
    boolean addAll(Collection<? extends E> c);
    
    // Java泛型通配符下限（逆变），<? super E> 可用于接收 E 或 E 的父类型
    boolean removeIf(Predicate<? super E> filter);
}

以上是泛型通配符在Collection接口源码中的使用

  • 通配符上限
public static void test(List<? extends Number> list) {
    /*
     * 对于“通配符上限”语法而言，从该集合中取出元素是安全的。
     * 集合中的元素是Number或其子类型，但是不能往该集合中存入新的元素，
     * 因为无法预测该集合元素的实际类型是Integer还是Double，又或者是Number的其他子类型
     */
    for (Number num : list) {
        System.out.println(num);
    }
    // list.add() // 不能添加元素，因为不能确定元素的类型
}
  • 通配符下限
public static void test(List<? super Integer> list) {
    /*
     * 对于"通配符下限"语法而言，将对象传给泛型对象是安全的。
     * 该集合中的元素是Integer或其父类型，但是从该集合中取出元素是不安全，
     * 因为无法预测该集合元素的实际类型是Number还是Object
     */
    list.add(666);
    // 以下代码编译不通过，因为在取出元素时无法确认元素的类型，可能是Number类型，也可能是Object类型
    // Number number = list.get(0);
}

泛型的规律

  1. 通配符上限（泛型协变）意味着从中取出<font color=red>（out）</font>对象是安全的，但传入对象是不安全的
  2. 通配符下限（泛型逆变）意味着向其中传入<font color=red>（in）</font>对象是安全的，但取出对象是不安全的

Kotlin的型变

Kotlin处理泛型型变的规则就是根据泛型的规律而设计：

  1. 如果泛型只需要出现在方法的返回值申明中（不出现在形参的声明中），那么该方法就只是取出泛型对象，因此该方法就支持泛型协变（相当于通配符上限）；如果一个类的所有方法都支持泛型协变，那么该类的泛型参数可使用out修饰。
  2. 如果泛型只需要出现在方法的形参声明中（不出现在返回值声明中），那么该方法就只是传入泛型对象，因此该方法就支持泛型逆变（相当于通配符下限）；如果一个类的所有方法都支持泛型逆变，那么该类的泛型参数可使用in修饰。

声明处型变

  • 如果一个类的所有方法都支持泛型协变，那么该类的泛型参数可使用out修饰
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修饰，所以 Box<Int> 对象可以直接赋值给 Box<Number>
    var box: Box<Number> = Box<Int>()
}
  • 如果一个类的所有方法都支持泛型逆变，那么该类的泛型参数可使用in修饰
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修饰，所以 Box<Any> 对象可以直接赋值给 Box<Number>
    var box: Box<Number> = Box<Any>()
}

声明处型变的限制：</br>如果一个类中有的方法使用泛型声明返回值类型，有的方法使用泛型声明形参类型，那么该类就不能使用声明处型变。

使用处型变

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 修饰泛型
    var outBox: Box<out Number> = Box<Int>()
    // 不能调用put方法存入数据（编译报错）
    // outBox.put(18)
    val num: Number? = outBox.get()

    // 使用 in 修饰泛型
    var inBox: Box<in Int> = Box<Number>()
    inBox.put(18)
    // 不能确定返回值的类型，只能使用Any类型接收
    val e: Any? = inBox.get()
}

@UnsafeVariance注解

对于协变的类型，通常是不允许将泛型类型作为方法参数的类型，但是在某些情况下，我们需要在协变的情况下将泛型作为方法的参数类型，那么我们可以使用 @UnsafeVariance 注解来修饰泛型。

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

    // 如果开发者自己可以保证类型安全，那么可以使用@UnsafeVariance注解让编译器不报错
    fun put(element: @UnsafeVariance T) {
        this.element = element
    }

    fun get(): T? = element
}

星投影

在Java中，当我们不确定泛型的具体类型是，可以使用 ? 来代替具体的泛型，比如

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

在Kotlin也有类似的语法，可以使用 * 来指代相应的泛型映射

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

以下是官方对于星投影语法的解释：

  • <p>对于 Foo <out T>，其中 T 是一个具有上界 TUpper 的协变类型参数，Foo <> 等价于 Foo <out TUpper>。 这意味着当 T 未知时，你可以安全地从 Foo <> 读取 TUpper 的值。</p>
  • <p>对于 Foo <in T>，其中 T 是一个逆变类型参数，Foo <> 等价于 Foo <in Nothing>。 这意味着当 T 未知时，没有什么可以以安全的方式写入 Foo <>。</p>
  • <p>对于 Foo <T>，其中 T 是一个具有上界 TUpper 的不型变类型参数，Foo<*> 对于读取值时等价于 Foo<out TUpper> 而对于写值时等价于 Foo<in Nothing>。</p>
简而言之，星投影就是：
  • 当 * 接收可协变的泛型参数 ( out T ) 时，* 映射的类型为 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，这里的 <*> 相当于 <out Int>，元素类型映射为 Any?
    val box: Box<*> = intBox
    val element: Any? = box.get()
}
  • 当 * 接收可逆变的泛型参数 ( in T ) 时，* 映射的类型为 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，这里的 <*> 相当于 <in Number>，元素类型映射为 Nothing
    val box: Box<*> = Box<Number>()
    box.put(/*element:Nothing*/) // 没有值可以传入
}
  • 当 * 接收不变的泛型参数 ( T ) 时，* 对于读取值类型映射为 Any?，而写值时类型映射为 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>()
    // 这里的 <*> 在赋值时相当于 <in Int>，元素类型映射为 Nothing
    box.put(/*element:Nothing*/) // 没有值可以传入
    // 这里的 <*> 在取值时相当于 <out Int>，元素类型映射为 Any?
    val element: Any? = box.get()
}

3. 泛型函数

泛型函数就是在函数声明时定义一个或多个泛型，泛型的声明必须在 fun 与函数名之间

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

fun main(args: Array<String>) {
    test<Int>(1) // <Int>可省略，类型通过参数自动推断
    test(2)
}

泛型函数也可以用于扩展函数

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

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

    // 不显示指定泛型的类型，编译器自动推断出泛型为 String 类型
    val str = "haha"
    println(str.test())
}

4. 具体化类型参数

Kotlin允许在内联函数中使用 reified 修饰泛型参数，这样就可以将该泛型参数变成一个具体化的类型参数。具体化类型参数后就可以在函数中将泛型当做一个普通类型来使用，比如可以使用 is、as 运算符。

比如，我们需要在list中找到指定类型的元素，原先的写法如下

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
}

使用具体化类型参数之后，代码如下：

// 很明显，代码变得更简洁了
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修饰的泛型参数，还可以对其使用反射

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. 泛型边界（上界）

java中可以使用 extends 指定泛型的上界

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

Koltin的实现：

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

如果需要指定多个边界，需要使用where子句（只能有一个父类上界，可以有多个接口上界）

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

PS：在Kotlin中，如果不指定边界，则默认边界是 Any#

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