泛型边界的问题

作者简介：大家好，我是smart哥，前中兴通讯、美团架构师，现某互联网公司CTO

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我们花了两篇文章讲述了泛型是什么以及有什么用：

• 作用于编译期，由编译器解析，是一种兼具类型约束和自动转型的代码模板
• 存入：约束存入的元素类型，将可能的类型错误提前到编译期
• 取出：编译自动转型，消除手动强转，极大降低ClassCastException的风险

泛型只是程序员和编译器的约定。

我们可以通过泛型告诉编译器自己的意图：

呐，我现在假定这个List只能存String，你帮我盯着点，后面如果不小心放错类型，在编译期报错提醒我。

**当然，要想编译器帮我们约束类型，就必须按人家的规矩办事。**就好比Spring明明告诉你默认读取resources/application.yml，你非要把配置文件命名为resources/config.yml当然就报错啦。

而泛型也有一套自己的规则，我们必须遵守这些规则才能让编译器按我们的意愿做出约束。

这些规则是谁定的呢？当然是JDK的那群秃子咯。

今天我们来学习泛型通配符。

在讲述通配符的语法规则时，我会尽量给出自己的理解，让大家更容易接受它们。另外需要说明的是，在泛型相关的文章里我们总是以List元素存入、取出举例子，是因为容器类是我们接触最多的，这样更好理解。实际上对于泛型类、泛型方法都是适用的，并不一定要是容器类。

简单泛型

JDK1.5以后，我们全面跨入泛型时代。

假设现在有一个需求：设计一个print方法打印任意类型的List。

你想显摆一下刚学的泛型，于是这样设计：

public class GenericClassDemo {

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> integerList = new ArrayList<>();
        print(integerList);
    }

    public static void print(List<Integer> list) {
		// 打印...
    }
}

咋一看没问题，但需求是打印任意类型的List。目前的print()只能接收List<Integer>，你传List<String>会报错：

你想了想，Object是所有对象的父类，我改成List<Object>吧：

悲剧，这下连List<Integer>都不行了。这是为什么呢？我们来分析一下原因。

实际编码时，常见的错误写法如下：

// 错误写法1：间接传递（通常发生在方法传参，比如将stringList传给print(List<Object> list)）
List<String> stringList = new ArrayList<>();
List<Object> list = stringList;
// 错误写法2：直接赋值
List<Object> list = new ArrayList<String>();

总之，list引用和实际指向的List容器类型必须一致（赋值操作左右两边的类型必须一致）。

JDK推荐的写法：

// 比较啰嗦的写法
List<String> list = new ArrayList<String>();
List<Object> list = new ArrayList<Object>();
// 省略写法，默认左右类型一致
List<String> list = new ArrayList<>();
List<Object> list = new ArrayList<>();

我们在前面已经了解到，泛型底层其实还是Object/Object[]，所以上面的几种写法归根到底都是Object[]赋值给Object[]，理论上是没有问题的。

那么我们不禁要问：既然底层都支持了，为什么编译器要禁止这种写法呢？

我们从一正一反两个角度来思考这个问题。

正向思考

首先，Object和String之间确实有继承关系，但List<Object>和List<String>没有，不能用多态的思维考虑这个问题（List和ArrayList才是继承/实现关系）。

其次，讨论泛型时，大家应该尽量从语法角度分析。

对于：

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

左边List<Object>的意思是希望编译器帮它约束存入的元素类型为Object，而右边new ArrayList<String>()则希望约束存入的类型为String，此时就会出现两个约束标准，而它们却是对同一个List的约束，是自相矛盾的。

反向思考

如果上面的论述还是缺乏说服力，那么我们干脆假设List<Object> list = new ArrayList<String>()是合法的，又会发生什么呢？

先来看看数组是怎么处理类似问题的：

数组底层和泛型不同，泛型底层都是Object/Object[]，而数组是真的分别创建了Object[]和String[]，而且允许String[]赋值给Object[]。但这不是它骄傲的资本，反而是它的弱点，给了异常可趁之机：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 直接往String[]存Integer会编译错误
    String[] strings = new String[3];
    strings[0] = "a";
    strings[1] = "b";
    strings[2] = 100; // COMPILE ERROR!

    // 但数组允许String[]赋值给Object[]
    Object[] objects = strings;
    // 这样就能通过编译了，但运行期会抛异常：ArrayStoreException
    objects[2] = 100;
}

数组允许String[]赋值给Object[]，但却把错误被拖到了运行期，不容易定位。

同样的，如果泛型也允许这样的语法，那就和数组没区别了：

• 首先，ls.add(new Object())成功了，那就意味着之前List<String>所做的约束都白费了，因为StringList中混入了别的类型
• 其次，编译器仍会按String自动转型，会发生ClassCastException

这么看来，泛型强制要求左右两边类型参数一致真是明智的举措，直接把错误扼杀在编译期。

泛型的指向与存取

在之前介绍泛型时，我们观察的维度只有存入和取出，实际上泛型还有一个很重要的约束：指向。为什么之前不提这个概念呢？因为之前接触的泛型都太简单了，比如List<String>只能指向List<String>，也就是泛型左右两边类型必须一致，没什么好讲的。

另外，千万别以为List<Number>只能存Number类型的元素，只要是Number的子类型都是可以的。因为对于List<Number>来说，反正取出时会统一转向上转型为Number，很安全。

至此，我们完善了泛型最重要的两个概念：指向、存取。

对于简单泛型而言：

• List<Number>指向：只能指向List<Number>，左右两边泛型必须一致（所以简单泛型解决不了print(List<???> list)的通用性问题）
• List<Number>存入：可以存入Integer/Long/BigDecimal...等Number子类元素
• List<Number>取出：自动按Number转（存在多态，不会报错）

后面学习通配符时，也请大家时刻保持清醒，多想想当前list可以指向 什么类型的List，可以存取 什么类型的元素。如果你觉得上面的推演太绕了，那么就记住：简单泛型的左右两边类型必须一致。

通配符

既然泛型强制要求左右两边类型参数必须一致，是否意味着永远无法封装一个方法打印任意类型的List？如何既能享受泛型的约束（防止出错），又能保留一定的通用性呢？

答案是：通配符。

我把List<T>、BaseDao<T>这样的称为简单泛型，把extends、super、?称为通配符。而简单泛型和通配符组合后又可以得到更为复杂的泛型，比如? extends T、? super T、?等。简而言之，通配符可以用来调节泛型的指向和存取之间的矛盾。

比如，有时我们需要list能指向不同类型的List（希望print()方法能接收更多类型的List）、有时我们又希望泛型能约束元素的存入和取出。但指向和存取往往不可兼得，具体要选用哪种泛型，需要根据实际情况做决定。

extends：上边界通配符

通配符所谓的上边界、下边界其实是对**"指向"**来说的。比如

List<? extends Number> list = new ArrayList<Integer>();

extends是上边界通配符，所以对于List<? extends Number>，元素类型的天花板就是Number，右边List的元素类型只能比Number"低"。换句话说，List<? extends Number>只能指向List<Integer>、List<Long>等子类型List，不能指向List<Object>、List<String>。

记忆方法： List<? extends Number> list = ...，把?看做右边List的元素（暂不确定，用?代替），? extends Number表示右边元素必须是Number的子类。

你可能会问：

之前简单泛型List<Object>不能指向List<String>，怎么到了extends这就可以了。这不扯淡吗？

其实换个角度就是，Java规定简单泛型左右类型必须一致，但有些情况又要考虑通用性，所以又搞出了extends，允许List<? extends Number>指向子类型List。

之前我们假设过，如果允许简单泛型指向指向子类型List，那么存取会出问题：

现在extends通配符放宽了指向限制（List<? extends Human>允许指向List<Chinese>），是否意味着extends通配符也会发生强转错误呢？

卧槽，我以为有什么高招，结果用了extends后直接不让存了。不过想想，确实是无奈之举。

public static void main(String[] args) {

    List<Integer> integerList = new ArrayList<>();
    integerList.add(1);

    List<Long> longList = new ArrayList<>();
    longList.add(1L);

    List<? extends Number> numberList = new ArrayList<>();
    numberList = 随机指向integerList或longList等子类型List;
    numberList.add(1);  // 由于无法确定numberList指向哪个List，所以干脆禁止add（万一指向integerList，那么add(1L)就不合适了，取出时可能转型错误）
}

还不是很明白？那就再举个例子：

但是对于取出，extends可不含糊：

public static void main(String[] args) {

    List<Integer> integerList = new ArrayList<>();
    integerList.add(1);

    List<Long> longList = new ArrayList<>();
    longList.add(1L);

    List<? extends Number> numberList = integerList; // 不管numberList指向integerList还是longList
    Number number = numberList.get(0);  // 取出来的元素都可以转Number，因为Long/Integer都是它子类
}

看到这，我们应该有所体会：对于泛型而言，指向和存取是两个不同的方向，很难同时兼顾。要么指向放宽，存取收紧；要么指向收紧，存取放宽。

extends小结：

• List<? extends Number>指向：Java允许extends指向子类型List，比如List<? extends Number>允许指向List<Integer>
• List<? extends Number>存入：禁止存入（防止出错）
• List<? extends Number>取出：由于指向的都是子类型List，所以按Number转肯定是正确的

相比简单泛型，extends虽然能大大提高指向的通用性，但为了防止出错，不得不禁止存入元素，也算是一种取舍。换句话说，print(List<? extends Number> list)对于传入的list只能做读操作，不能做写操作。

super：下边界通配符

super是下边界通配符，所以对于List<? super Integer>，元素类型的地板就是Integer，右边List的元素类型只能比Integer"高"。换句话说，List<? super Integer>只能指向List<Number>、List<Object>等父类型List。

记忆方法： List<? super Integer> list = ...，把?看做右边List的元素（暂不确定，用?代替），? super Integer表示右边元素必须是Integer的父类。

super的特点是：

• List<? super Integer>指向：只能指向父类型List，比如List<Number>、List<Object>
• List<? super Integer>存入：只能存Integer及其子类型元素
• List<? super Integer>取出：只能转Object

至此，我们发现Java同时满足了：

• extends：指向子类型List
• 简单泛型T：指向同类型List
• super：指向父类型List

说完指向问题，我们再来探讨一下存取问题。思路还是一样，既然Java允许List<? super Integer>指向List<Number>等父类型，那么如何防止存取出错呢？

假设存在class Human implement Swimming, Speaking，那么Swimming和Speaking都是Human的父类/父接口。由于List<? super Human>可以指向父类型List，要么指向SwimmingList，要么指向SpeakingList。

public static void main(String[] args) {
    List<Swimming> swimmingList = new ArrayList<>();
    // 假设加入了很多实现了Swimming接口的元素，比如Dolphin（海豚）
    // swimmingList.add(dolphin)...

    List<Speaking> speakingList = new ArrayList<>();
    // 假设加入了很多实现了Speaking接口的元素，比如Parrot（鹦鹉）
    // speakingList.add(parrot)...

    List<? super Human> humanList = swimmingList / speakingList; // 指向随机的List
    
    humanList.add(...) // 是否应该允许存入 Parrot（鹦鹉）？

}

此时对于List<? super Human>，是否应该允许加入 Parrot（鹦鹉）呢？答案是最好不要。因为humanList的指向是不确定的，如果刚好指向的是swimmingList，那么list.add(parrot)显然是不合适的。

只有存入Human及其子类才是安全的：

介绍完super的存入，最后聊聊super的取出。由于List<? super Human>可以指向任意Human父类型的List，可能是SwimmingList，也可能是SpeakingList。这意味取出的元素可能是Swimming，也可能是Speaking，是不确定的，所以用Swimming或Speaking都不太合适。

那能不能强转为Human呢？答案是不行。假设humanList指向的是swimmingList，而swimmingList里存的是Shark、Dolphin、Human，此时list.get(0)得到的是 Shark implements Swimming，强转为Human显然不合适。

super小结

• List<? super Human>指向：只能指向父类型List，比如List<Speaking>、List<Swimming>
• List<? super Human>存入：只能存Human及其子类型元素
• List<? super Human>取出：只能转Object

?：无界通配符

讲完最难的两个通配符，?就很简单了。它类似于List<? extends Object>，允许指向任意类型的List。

再分析一下存和取：

• 由于指向的List不确定，并且这些List没有共同的子类，所以找不到一种类型的元素，能保证add()时百分百不出错，所以禁止存入。
• 由于指向的List不确定，并且这些List没有共同的父类（除了Object），所以只能用Object接收。

通配符的使用场景

泛型本身比较复杂，能把简单的T用熟练的已经不多，更别说用上通配符了。但从语法本身来说，通配符就是为了让赋值更具通用性。原先泛型赋值只能是同类型之间赋值，不利于抽取通用方法。而使用通配符后，就可以在一定程度上开放赋值限制。

?是开放限度最大的，可指向任意类型List，但在对List的方法调用上也是限制最大的，具体表现在：

• 入参和泛型相关的都不能使用（禁止存入）
• 返回值和泛型相关的都只能用Object接收（只能强转为Object）

extends和super指向性各砍了一半，分别指向子类型List和父类型List，但方法使用上又相对开放了一部分：

• extends不允许存入，但取出时类型稍微精确些，可以往边界类型转
• super允许存入子类型元素，但取出时只能转为Object

所以如果要用到通配符，需要结合业务考虑，如果你只是希望造一个方法，接收任意类型的List，且方法内不调用List的特定方法，那就用?。而对于extends和super的取舍，《Effective Java》提出了所谓的：PECS(Producer Extends Consumer Super)

• 频繁往外读取内容的（向外提供内容，所以是Producer），适合用<? extends T>：extends**返回值稍微精确些，**对调用者友好
• 经常往里插入的（消耗数据，所以是Consumer），适合用<? super T>：super允许存入子类型元素

给大家举一个JDK对通配符的使用案例：

ArrayList中定义了一个addAll(Collection<? extends E> c)方法，我单独把这个方法拿出来：

class ArrayList<E> extends ... {
    
    ...

    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
        System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }
}

以Person为例，假设是List<Person> list = new ArrayList<>()，那么这个方法就变成了：

public boolean addAll(Collection<? extends Person> c) {
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
    size += numNew;
    return numNew != 0;
}

此时，addAll()只能接收Person集合或者它的Person子类的集合，比如Student extends Person：

List<Person> personList = new ArrayList<>();

List<Student> studentList = new ArrayList();
personList.addAll(studentList)

为什么会选择extends呢？还是PECS原则，因为allAll()很显然是消费者场景，我更关心对参数的具体操作，而不怎么关心返回值（就是boolean提示操作成功与否）。这也是我日常使用通配符时的一个思路，PECS确实很实用。

最后，很多人会以为?等同于T，其实两者是有区别的。我们本质**还是通过给T"赋值"来确定类型，只不过此时赋值给T的不再是某个具体的类型，而是某个"匹配规则"，**帮助编译器确定向上、向下可以指向的List类型范围以及存取的元素类型限定。

强调

当你使用简单泛型时，首要考虑你想把元素规定为何种类型，顺便考虑子类型的存入是否会有影响（一般不会）。而如果要使用通配符，应该先考虑接收的范围，再考虑存取操作如何取舍（PECS原则）。

个人愚见是，通配符的出发点本来是为了解决指向问题，但开放指向后为了避免ClassCastException，不得已又对存取加了限制，实际开发时要灵活利用边界限制并结合实际需求选择合适的泛型。

提问：

1. List list = new ArrayList(); 能添加各种类型的数据吗？
2. List<Object> list = new Array<Integer>()会报错吗？为什么？
3. 什么时候用?、extends、super？
4. PECS是什么？
5. List<?>和List<Object>的区别？

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