Java泛型-PECS原则

Sun, 02 Mar 2025 02:27:33 +0800

什么是PECS原则？

PECS 是 “Producer Extends, Consumer Super” 的缩写。换句话说，如果参数化类型表示一个生产者（只读）就使用<? extends T>，如果它表示一个消费者（只写）就使用<? super T>。这个原则在使用泛型限定通配符时非常有用，可以帮助我们决定何时使用 <? extends T> 和 <? super T>。

<? extends T>和<? super T>是Java泛型中的“通配符（Wildcards）”和“边界（Bounds）”的概念。

<? extends T>：是指 “上界通配符（Upper Bounds Wildcards）”
<? super T>：是指 “下界通配符（Lower Bounds Wildcards）”

为什么要有限定通配符？

假设有这样一些类型定义。

//Lev 1

class Food{}

//Lev 2

class Fruit extends Food{}

class Meat extends Food{}

//Lev 3

class Apple extends Fruit{}

class Banana extends Fruit{}

class Pork extends Meat{}

class Beef extends Meat{}

//Lev 4

class RedApple extends Apple{}

class GreenApple extends Apple{}

定义一个容器，Plate类。盘子里可以放一个泛型的“东西”：

class Plate{

private T item;

public Plate(T t){item=t;}

public void set(T t){item=t;}

public T get(){return item;}

}

现在我定义一个“水果盘子”，逻辑上水果盘子当然可以装苹果。

Plate p=new Plate(new Apple());

但实际上Java编译器不允许这个操作。会报错，“装苹果的盘子”无法转换成“装水果的盘子”。

其实很好解释：

苹果 IS-A 水果
装苹果的盘子 NOT-IS-A 装水果的盘子

所以，就算容器里装的东西之间有继承关系，但容器之间是没有继承关系的。于是有了<? extends T>和<? super T>。

上界通配符 Plate<？ extends Fruit> 覆盖下图中蓝色的区域。

下界通配符 Plate<？ super Fruit> 覆盖下图中红色的区域。

接下来看一下PECS，再举个例子：

下面是一个简单的Stack的API接口：

public class Stack{
 public Stack();
 public void push(E e):
 public E pop();
 public boolean isEmpty();
 //按顺序将一系列元素全部放入Stack中，你可能想到的实现方式如下：
 public void pushAll(Iterable src){
 for(E e : src)
 push(e)
 }
}

这时，有个Stack<Number>，想要灵活的处理Integer，Long等Number的子类型的集合:

Stack numberStack = new Stack();
Iterable integers = ....;
numberStack.pushAll(integers);

此时代码编译无法通过，因为对于类型Number和Integer来说，虽然后者是Number的子类，但是对于任意Number集合（如List<Number>）不是Integer集合（如List<Integer>）的超类，因为泛型是不可变的。

幸好java提供了一种叫有限通配符的参数化类型，pushAll参数替换为“E的某个子类型的Iterable接口”：

public void pushAll(Iterable src){
 for (E e: src)
 push(e);
}

这样就可以正确编译了，这里的<? extends E>就是所谓的 producer-extends。这里的Iterable就是生产者，要使用<? extends E>。因为Iterable<? extends E>可以容纳任何E的子类。在执行操作时，可迭代对象的每个元素都可以当作是E来操作。

与之对应的是：假设有一个方法popAll()方法，从Stack集合中弹出每个元素，添加到指定集合中去:

public void popAll(Collection dst){
 if(!isEmpty()){
 dst.add(pop());
 }
}

假设有一个Stack<Number>和Collection<Object>对象：

Stack numberStack = new Stack();
Collection objects = ...;
numberStack.popAll(objects);

同样上面这段代码也无法通过，解决的办法就是使用Collection<? super E>。这里的objects是消费者，因为是添加元素到objects集合中去。使用Collection<? super E>后，无论objects是什么类型的集合，满足一点的是他是E的超类，所以不管这个参数化类型具体是什么类型都能将E装进objects集合中去。

PECS原则的运用

案例一

btw，我们反过来呢？以下两种均不能通过编译。

public void pushAll(Iterable src){
 for (E e: src)
 push(e);
}

因为下界规定了元素的最小粒度的下限，实际上是放松了容器元素的类型控制。既然元素是E的基类，那往里存粒度比E小的都可以。但往外读取元素就费劲了，只有所有类的基类Object对象才能装下。但这样的话，元素的类型信息就全部丢失。Stack自然也无法存E的基类。

public void popAll(Collection dst){
 if(!isEmpty()){
 dst.add(pop());
 }
}

原因是编译器只知道容器内是Fruit或者它的派生类，但具体是什么类型不知道。编译器在?标上一个占位符：CAP#1，来表示捕获一个E或E的子类，具体是什么类不知道，代号CAP#1。然后无论是想往里插入A或者B或者C编译器都不知道能不能和这个CAP#1匹配，所以就都不允许。

案例二

为了更好地解释这些概念，我们先定义一些类：

public class Fruit {
}

public class Apple extends Fruit {
}

public class Banana extends Fruit {
}

List<? extends Fruit> 的理解

正如字面意思，表示泛型的类型是 Fruit 或者 Fruit 的子类。也就是说，我们给 list 赋值时，泛型可以是 Fruit 或者 Fruit 的子类，比如 new ArrayList()、new ArrayList() 或者 new ArrayList()。

private static List getExtendsList() {
 List list;
 list = new ArrayList();
 list = new ArrayList();
 list = new ArrayList();
 return list;
}

具体来说，List 允许我们将 List、List 和 List 都赋值给它。然而，虽然我们可以从这个列表中获取元素（因为我们知道它们至少是 Fruit 类型），但我们不能向其中添加元素（除了 null），因为编译器无法确定我们实际的列表类型。

private static void m1(List list) {
 Fruit fruit = list.get(0); // 安全的，因为我们知道列表中至少是Fruit类型
 // list.add(new Apple()); // 错误，编译器不允许，因为list可能是new ArrayList()
}

List<? super Fruit> 的理解

<? super Fruit> 表示泛型的类型是 Fruit 或者 Fruit 的父类。也就是说，我们给 list 赋值时，泛型可以是 Fruit 或者 Fruit 的父类，比如 new ArrayList<Fruit>() 或者 new ArrayList<Object>()。

private static List getSuperList() {
 List list;
 list = new ArrayList();
 list = new ArrayList();
 return list;
}

具体来说，List<? super Fruit> 允许我们向列表中添加 Fruit 或者 Fruit 的父类，但我们不能安全地获取特定类型的元素，只能获取 Object 类型的元素。

private static void m2(List list) {
 list.add(new Apple()); // 可以，因为Apple是Fruit的子类
 list.add(new Banana()); // 可以，因为Banana是Fruit的子类
 Object object = list.get(0); // 只能是Object类型，因为我们不知道具体的类型
}

总结

List list：表示泛型的类型是 Fruit 或 Fruit 的子类，一般用于只获取元素。
List list：表示泛型的类型是 Fruit 或 Fruit 的父类，一般用于只添加元素（获取出来的元素是 Object 类型，泛型意义不大）。
List list：明确的泛型，可以获取元素，也可以添加元素，是最常用的泛型。

案例三

1. Producer Extends

定义: 当集合是生产者（提供数据）时，使用 <? extends T>。
含义: 集合中的元素是 T 或其子类，只能从中读取数据，不能写入（除 null 外）。
示例:

List numbers = new ArrayList();
Number num = numbers.get(0); // 可以读取
// numbers.add(1); // 编译错误，不能写入

2. Consumer Super

定义: 当集合是消费者（接受数据）时，使用 <? super T>。
含义: 集合中的元素是 T 或其父类，只能写入 T 或其子类的数据，读取时只能得到 Object 类型。
示例:

List integers = new ArrayList();
integers.add(1); // 可以写入
// Integer i = integers.get(0); // 编译错误，读取时只能得到 Object
Object obj = integers.get(0); // 可以读取为 Object

参考文章

泛型-PECS原则 - iiiorz - 博客园

[简单粗暴]一文彻底搞懂Java泛型中的PECS原则(在坑里躺了多年终于爬出来了)-CSDN博客

泛型 on 蛋蛋忧桑

Java泛型-PECS原则

什么是PECS原则？

为什么要有限定通配符？

PECS原则的运用

案例一

案例二

案例三

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