Generics

Generics

Начиная с JDK 1.5, в Java появляются новые возможности для программирования. Одним из таких нововведений являются Generics. Generics являются аналогией с конструкцией "Шаблонов"(template) в С++, но имеет свои нюансы. Generics позволяют абстрагировать множество типов. Наиболее распространенными примерами являются Коллекции.

Вот типичное использование такого рода (без Generics):

 1. List myIntList = new LinkedList(); 
 2. myIntList.add(new Integer(0));
 3. Integer x = (Integer) myIntList.iterator().next(); 

Как правило, программист знает, какие данные должны быть в List'e. Тем не менее, стоит обратить особое внимание на Приведение типа ("Cast") в строчке 3. Компилятор может лишь гарантировать, что метод next() вернёт Object, но чтобы обеспечить присвоение переменной типа Integer правильным и безопасным, требуется Cast. Cast не только создает беспорядки, но дает возможность появление ошибки "Runtime Error" из-за невнимательности программиста.

И появляется такой вопрос: "Как с этим бороться? " В частности: "Как же зарезервировать List для определенного типа данных?"

Как раз такую проблему решают Generics.

 1. List<Integer> myIntList = new LinkedList<Integer>();
 2. myIntList.add(new Integer(0)); 
 3. Integer x = myIntList.iterator().next(); 

Обратите внимание на объявления типа для переменной myIntList. Он указывает на то, что это не просто произвольный List, а List<Integer>. Мы говорим, что List является generic-интерфейсом, который принимает параметр типа - в этом случае, Integer. Кроме того, необходимо обратить внимание на то, что теперь Cast выполняется в строчке 3 автоматически.

Некоторые могут задуматься, что беспорядок в коде увеличился, но это не так. Вместо приведения к Integer в строчке 3, у нас теперь есть Integer в качестве параметра в строчке 1. Здесь существенное отличие. Теперь компилятор может проверить этот тип на корректность во время компиляции.

И когда мы говорим, что myIntList объявлен как List<Integer>, это будет справедливо во всем коде и компилятор это гарантирует.

• На заметку:

Эффект от Generics особенно проявляется в крупных проектах: он улучшает читаемость и надежность кода в целом.

Свойства

• Строгая типизация
• Единая реализация
• Отсутствие информации о типе

Пример реализации Generic-класса

 public interface List<E> {
     E get(int i);
     set(int i, E e);
     add(E e);
 
     Iterator<E> iterator();
     …
 }

Для того чтобы использовать класс как Generics, мы должны прописать после имени класса <...>, куда можно подставить любое имя, wildcard и т.д.

После того как было объявлено имя generic-типа его можно использовать как обычный тип внутри метода. И когда в коде будет объявлен, к примеру, List<Integer>, то Е станет Integer для переменной list (как показано ниже).

Теперь рассмотрим чем старая реализация кода отличается от новой:

List<E> ─ список элементов E

Раньше :

 List list = new List();
 list.add(new Integer(1));
 Integer i = (Integer) list.get(0);

Теперь :

 List<Integer> list = new List<Integer>();
 list.add(new Integer(1));
 Integer i = list.get(0);

Как видите, больше не нужно приводить Integer, так как метод get() возвращает ссылку на объект конкретного типа (в данном случае – Integer).

Несовместимость generic-типов

Это одна из самых важных вещей, которую вы должны узнать о Generics

Как говорится: "В бочке мёда есть ложка дегтя". Для того чтобы сохранить целостности и независимости друг от друга Коллекции, у Generics существует так называемая "Несовместимость generic-типов".

• Суть такова:

Пусть у нас есть тип Foo, который является подтипом Bar, и еще G - наследник Коллекции. 
То G<Foo> не является наследником G<Bar>. 

• Пример:

 List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
 List<Object> lo = li;

Иначе — ошибки

 lo.add(“hello”);
 // ClassCastException: String -> int
 Integer li = lo.get(0);

Проблемы реализации Generics

• Решение 1 - Wildcard

Пусть мы захотели написать метод, который берет Collection<Object> и выводит на экран. И мы захотели вызвать dump для Integer.

• Проблема

 void dump(Collection<Object> c) {
   for (Iterator<Object> i = c.iterator(); i.hasNext(); ) {
       Object o = i.next();
       System.out.println(o);
   }
 }

 List<Object> l; dump(l);
 List<Integer> l; dump(l); // Ошибка

В этом примере List<Integer> не может использовать метод dump, так как он не является подтипом List<Object>.

Проблема в том что эта реализация кода не эффективна, так как Collection<Object> не является полностью родительской коллекцией всех остальных коллекции, грубо говоря Collection<Object> имеет ограничения.

Для решения этой проблемы используется Wildcard ("?"). Он не имеет ограничения в использовании(то есть имеет соответствие с любым типом) и в этом его плюсы. И теперь, мы можем вызвать dump с любым типом коллекции.

• Решение

 void dump(Collection<?> c) {
   for (Iterator<?> i = c.iterator(); i.hasNext(); ) {
       Object o = i.next();
       System.out.println(o);
   }
 }

---

• Решение 2 – Bounded Wildcard

Пусть мы захотели написать метод, который рисует List<Shape>. И у Shape есть наследник Circle. И мы хотим вызвать draw для Circle.

• Проблема

 void draw(List<Shape> c) {
   for (Iterator<Shape> i = c.iterator(); i.hasNext(); ) {
       Shape s = i.next();
       s.draw();
   }
 }

 List<Shape> l; draw(l);
 List<Circle> l; draw(l); // Ошибка

Проблема в том, что у нас не получится из-за несовместимости типов. Предложенное решение используется, если метод который нужно реализовать использовал бы определенный тип и его подтипов. Так называемое "Ограничение сверху". Для этого нужно вместо <Shape> прописать <? extends Shape>.

• Решение

 void draw(List<? extends Shape> c) {
   for (Iterator<? extends Shape> i = c.iterator();
           i.hasNext(); ) {
       Shape s = i.next();
       s.draw();
   }
 }

---

• Решение 3 – Generic-Метод

Пусть вы захотели сделать метод, который берет массив Object и переносить их в коллекцию.

• Проблема

 void addAll(Object[] a, Collection<?> c) {
   for (int i = 0; i < a.length; i++) {
       c.add(a[i]);
   }
 }

 addAll(new String[10], new ArrayList<String>());
 addAll(new Object[10], new ArrayList<Object>());
 addAll(new Object[10], new ArrayList<String>()); // Ошибка
 addAll(new String[10], new ArrayList<Object>()); // Ошибка

Напомним, что вы не можете просто засунуть Object в коллекции неизвестного типа. Способ решения этой проблемы является использование "Generic-Метод" Для этого перед методом нужно объявить <T> и использовать его.

• Решение

 <T> void addAll(T[] a, Collection<T> c) {
   for (int i = 0; i < a.length; i++) {
       c.add(a[i]);
   }
 }

Но все равно после выполнение останется ошибка в третьей строчке :

 addAll(new Object[10], new ArrayList<String>()); // Ошибка

---

• Решение 4 – Bounded type argument

Реализуем метод копирование из одной коллекции в другую

• Проблема

<M> void addAll(Collection<M> c, Collection<M> c2) {
 for (Iterator<M> i = c.iterator(); i.hasNext(); ) {
  M o = i.next();
  c2.add(o);
 }
}

addAll(new AL<Integer>(), new AL<Integer>());
addAll(new AL<Integer>(), new AL<Object>()); //Ошибка

Проблема в том что две Коллекции могут быть разных типов (несовместимость generic-типов). Для таких случаев было придуман Bounded type argument. Он нужен если метод ,который мы пишем использовал бы определенный тип данных. Для этого нужно ввести <N extends M> (N принимает только значения M). Также можно корректно писать <T extends A & B & C>. (Принимает значения нескольких переменных)

• Решение

<M, N extends M> void addAll(Collection<N> c, Collection<M> c2) {
 for (Iterator<N> i = c.iterator(); i.hasNext(); ) {
  N o = i.next();
  c2.add(o);
 }
}

---

• Решение 5 – Lower bounded wcard

Реализуем метод нахождение максимума в коллекции.

• Проблема

<T extends Comparable<T>>
  T max(Collection<T> c) {
   …
  }

List<Integer> il; Integer I = max(il);
class Test implements Comparable<Object> {…} 
List<Test> tl; Test t = max(tl); // Ошибка

• <T extends Comparable<T>> обозначает что Т обязан реализовывать интерфейс Comparable<T>.

Ошибка возникает из за того что Test реализует интерфейс Comparable<Object>. Решение этой проблемы - Lower bounded wcard("Ограничение снизу"). Суть в том что мы будет реализовывать метод не только для Т, но и для его Супер-типов(Родительских типов). Например: Если мы напишем

List<T super Integer> list;

Мы можем заполнить его List<Integer>, List<Number> или List<Object>.

• Решение

<T extends Comparable<? super T>>
 T max(Collection<T> c) {
     …
 }

---

• Решение 6 – Wildcard Capture

Реализуем метод Swap в List<?>

• Проблема

void swap(List<?> list, int i, int j) {
    list.set(i, list.get(j)); // Ошибка
}

Проблема в том, что метод List.set() не может работать с List<?>, так как ему не известно какой он List. Для решение этой проблемы используют "Wildcard Capture" (или "Capture helpers"). Суть заключается в том, чтобы обмануть компилятор. Напишем еще один метод с параметризованной переменной и будем его использовать внутри нашего метода.

• Решение

void swap(List<?> list, int i, int j) {
    swapImpl(list, i, j);
}
<T> void swapImpl(List<T> list, int i, int j) {
    T temp = list.get(i);
    list.set(i, list.get(j));
    list.set(j, temp);
}

Ограничения Generic

Также нужно запомнить простые правила для работы с Generics.

• Невозможно создать массив параметра типа

Collection<T> c;
T[] ta;
new T[10]; // Ошибка !!

• Невозможно создать массив Generic-классов

new ArrayList<List<Integer>>();
List<?>[] la = new List<?>[10]; // Ошибка !!

Преобразование типов

В Generics также можно манипулировать с информацией, хранящийся в переменных.

• Уничтожение информации о типе

List l = new ArrayList<String>();

• Добавление информации о типе

List<String> l = (List<String>) new ArrayList();
List<String> l1 = new ArrayList();

Примеры кода

• Первый пример:

List<String> ls;
List<Integer> li;
ls.getClass() == li.getClass() // True
ls instanceof List // True
ls instanceof List<String> // Запрещено

• Второй пример:

Нахождение максимума в Коллекции Integer.

• Без Generics:

Collection c;
Iterator i = c.iterator();
Integer max = (Integer) i.next();
while(i.hasNext()) {
    Integer next = (Integer) i.next();
    if (next.compareTo(max) > 0) {
        max = next;
    }
}

• С помощью Generics

Collection<Integer> c;
Iterator<Integer> i = c.iterator();
Integer max = i.next();
while(i.hasNext()) {
    Integer next = i.next();
    if (next.compareTo(max) > 0) {
        max = next;
    }
}

Источники

Сайт Георгия Корнеева

Java tutorial. Generics

Generics tutorial