輕松掌握 Java 泛型 (第 4 部分)

2019-11-18 13:15:10

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供稿：網(wǎng)友

　　java 開發(fā)人員和研究人員 Eric Allen 討論了通過泛型類型添加對(duì) mixin 支持所帶來的影響，并以此文來結(jié)束他對(duì) JSR-14 和 Tiger 中泛型類型的由四部分組成的系列的討論。在相關(guān)論壇中與作者及其他讀者分享您對(duì)本文的看法。（您也可以單擊本文頂部或底部的“討論”來訪問該論壇。）至此，在這個(gè)討論 JSR-14 和 Tiger 中泛型類型的微型系列中，我們已經(jīng)探討了：
　　
　　泛型類型及被設(shè)計(jì)成支持它們的即將發(fā)布的功能
　　
　　基本類型、受約束的泛型以及多態(tài)方法上的限制
　　
　　幾個(gè)強(qiáng)加給這些 Java 擴(kuò)展的限制
　　
　　這些擴(kuò)展語言的編譯器所用的實(shí)現(xiàn)策略如何使這些限制成為必需
　　
　　在泛型類型中添加對(duì)“裸”類型參數(shù)的 new 操作的支持所帶來的影響
　　
　　本月，我們將探討在可以處理 mixin（可能被期望是泛型類型中最強(qiáng)大的功能）之前需要先解決的問題，以此來結(jié)束對(duì) Java 語言中泛型類型的討論。
　　
　　mixin vs 包裝
　　mixin 是由其父類參數(shù)化的類。例如，請(qǐng)考慮以下這個(gè)泛型類，它繼續(xù)了它本身的類型參數(shù)：
　　
　　class Scrollable< T> extends T {...}
　　
　　不要錯(cuò)過本系列的其它文章
　　
　　第 1 部分，輕松把握 Java 泛型（2003 年 2 月）
　　
　　第 2 部分，輕松把握 Java 泛型類型，第 2 部分（2003 年 3 月）
　　
　　第 3 部分，輕松把握 Java 泛型，第 3 部分（2003 年 4 月）　
　　
　　類 Scrollable 的目的是要向 GUI 窗口小部件嵌入添加可滾動(dòng)性所必需的功能性。這個(gè)泛型類的每個(gè)應(yīng)用都會(huì)繼續(xù)一個(gè)不同的父類。例如，Scrollable< JTextPane> 是 JTextPane 的子類，而 Scrollable< JEditorPane> 是 JEditorPane 的子類。對(duì)比這種嵌入功能的方法和 Java Swing 庫中現(xiàn)有的功能性，在這個(gè)庫中，假如我們想使 JComponent 是可滾動(dòng)的，必須將其“包裝”在 JScrollPane 中。
　　
　　包裝不僅需要添加訪問被包裝類的功能的轉(zhuǎn)發(fā)方法，而且它還阻止我們?cè)谛枰话b對(duì)象的實(shí)例的上下文中使用由此產(chǎn)生的可滾動(dòng)對(duì)象（例如，我們不能將 JScrollPane 傳遞到需要 JTextPane 的實(shí)例的方法中）。通過 Scrollable 的父類將其參數(shù)化，在繼續(xù)多個(gè)超類時(shí)，我們就能保持對(duì)涉及滾動(dòng)的功能的單點(diǎn)控制。這樣能夠使用 mixin 讓我們重新獲得多重繼續(xù)性的某些強(qiáng)大功能，而又沒有附帶異常。
　　
　　在上面的示例中，我們甚至可以對(duì)類型參數(shù)施加約束以阻止它用于不適當(dāng)?shù)纳舷挛闹小＠纾覀兛赡芟胧乖擃愋蛥?shù)強(qiáng)制為 JComponent 的子類：
　　
　　class Scrollable< T extends JComponent> extends T {...}
　　
　　那么我們的 mixin 只能繼續(xù) GUI 組件。
　　
　　mixin 和泛型類：完美組合
　　通常，mixin 作為獨(dú)立語言功能部件添加到某種語言中，就象 Jam 中的那樣。但是合并 mixin 以作為泛型類型系統(tǒng)的一部分很吸引人，幾乎可以說魅力無窮。原因是：mixin 和泛型類都能被認(rèn)為是將現(xiàn)有類映射到新類的函數(shù)。
　　
　　泛型類可被視為將它們的參數(shù)映射成新實(shí)例化的函數(shù)。mixin 可被視為將現(xiàn)有類映射成新子類的函數(shù)。通過使用泛型類型合并 mixin，我們能解決其它 mixin 公式的許多要害限制。
　　
　　在 Java 語言的 Jam 擴(kuò)展中，mixin 的超類類型沒有名稱；我們就不能在 mixin 主體中引用它。這一限制會(huì)迅速引起一連串各種其它問題。例如，在 Jam 中，禁止程序員將 this 作為參數(shù)傳遞給方法；無法對(duì)這樣的調(diào)用進(jìn)行類型檢查。這一限制的影響極大，因?yàn)樵S多最常見的設(shè)計(jì)模式都要依靠于能夠?qū)?this 作為參數(shù)傳遞。
　　
　　請(qǐng)考慮訪問者模式，其中用 for 方法為復(fù)合層次結(jié)構(gòu)中的每個(gè)類都定義了訪問者類。通常被訪問的類包含 accept 方法，它采用訪問者并傳遞 this 來調(diào)用該訪問者的方法。因此，在 Jam 中，訪問者模式不能和 mixin 一起使用。
　　
　　將 mixin 明確表述為泛型類，我們就始終有父類的句柄，它是該類繼續(xù)的類型參數(shù)。例如，我們可以將 Scrollable 的父類引用為類型 T。其結(jié)果是，在答應(yīng)將 this 作為類型參數(shù)傳遞時(shí)沒有任何根本性的困難。
　　
　　但是，將 mixin 明確表述為泛型類型時(shí)有其它一些明顯的困難。為了讓您初步體會(huì)可能產(chǎn)生的某些困難，我們將討論幾個(gè)突出的困難以及一些可能的解決方案。
　　
　　mixin 與類型消除
　　在討論任何其它問題之前，我們應(yīng)該先指出，與上月討論的泛型類型的功能擴(kuò)展一樣，通過使用由 JSR-14 和 Tiger 使用的簡(jiǎn)單類型消除（type erasure）策略，不能將對(duì) mixin 的支持添加到 Java 語言中。
　　
　　要了解其原因，請(qǐng)考慮在繼續(xù)類型參數(shù)的類被消除時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么情況。該類會(huì)最終繼續(xù)類型參數(shù)的界限！例如，上一個(gè)示例中類 Scrollable 的每個(gè)實(shí)例化最終都繼續(xù)類 JComponent。那顯然不是我們所希望的。
　　
　　為了通過泛型類型支持 mixin，我們需要獲得泛型類型實(shí)例化的運(yùn)行時(shí)表示。幸運(yùn)的是，編碼這一信息的方法有許多，它們實(shí)際上都向后與 Tiger 兼容。這樣的向后兼容編碼方案是泛型 Java（Generic Java）的 NextGen 公式的顯著特點(diǎn)（在參考資料一節(jié)中）。
　　
　　可用的超類構(gòu)造函數(shù)
　　在我們希望答應(yīng)類繼續(xù)類型參數(shù)時(shí)立即出現(xiàn)的緊迫問題是要決定我們能調(diào)用什么樣的超級(jí)構(gòu)造函數(shù)？請(qǐng)回憶：每個(gè) Java 類構(gòu)造函數(shù)都必須調(diào)用超類的構(gòu)造函數(shù)。通常，通過查找超類并確保存在匹配的超級(jí)構(gòu)造函數(shù)，類型檢查器確保這些超級(jí)構(gòu)造函數(shù)調(diào)用會(huì)成功。
　　
　　但是在我們對(duì)超類所知的一切只限于它是類型參數(shù)的實(shí)例化時(shí)，對(duì)于什么樣的構(gòu)造函數(shù)可用于給定的實(shí)例化，我們沒有任何概念。而且請(qǐng)注重，類型檢查器甚至不能檢查是否每個(gè) mixin 實(shí)例化都會(huì)產(chǎn)生有效的超級(jí)構(gòu)造函數(shù)調(diào)用。其原因是：在某些其它上下文中，mixin 的參數(shù)可能用類型參數(shù)界限實(shí)例化了。
　　
　　例如，泛型類 jsplitPane< T> 可以創(chuàng)建 Scrollable< T> 的實(shí)例。除非我們知道將類型參數(shù) T 實(shí)例化為 JSplitPanes 的一切方法，否則我們不能知道在 Scrollable< T> 中調(diào)用的超級(jí)構(gòu)造函數(shù)是否有效。但是因?yàn)?Java 編碼答應(yīng)單獨(dú)的類編譯，所以在類型檢查期間，我們不能知道 jsplitPane 的所有實(shí)例。
　　
　　解決這一問題的各種方案與我們上月第 3 部分中討論的針對(duì)檢查 new 表達(dá)式的類型參數(shù)所提出的解決方案完全一致，因?yàn)槌?jí)構(gòu)造函數(shù)調(diào)用和 new 表達(dá)式都引用了給定類的同一個(gè)類構(gòu)造函數(shù)。讓我們回顧一下這些解決方案：
　　
　　需要一個(gè)不帶參數(shù)的（zeroary）構(gòu)造函數(shù)，用于所有類型參數(shù)的實(shí)例化。
　　當(dāng)沒有匹配的構(gòu)造函數(shù)時(shí)，拋出運(yùn)行時(shí)異常。
　　包含額外的類型參數(shù)注釋，告知我們這些實(shí)例化必須包含哪些構(gòu)造函數(shù)。
　　就如 new 表達(dá)式的情況，前兩個(gè)解決方案有嚴(yán)重缺陷。通常在類定義中包含不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)沒有任何意義。而且，當(dāng)不存在任何匹配的構(gòu)造函數(shù)時(shí)就拋出異常也不太理想。究竟靜態(tài)類型檢查主要是嚴(yán)格防止那種異常。
　　
　　第三種解決方案可能有點(diǎn)繁瑣，但是它有許多優(yōu)點(diǎn)。注釋類型參數(shù)，其中包括所有實(shí)例化都必須擁有的構(gòu)造函數(shù)集。這些注釋確切地告知我們針對(duì)類型參數(shù)，我們可以可靠地調(diào)用什么樣的構(gòu)造函數(shù)。因此，當(dāng)類型參數(shù) T 用作泛型類的超類時(shí)，T 的注釋確切地告知我們可以調(diào)用哪些超級(jí)構(gòu)造函數(shù)。假如 T 不包含注釋，那么類型檢查器會(huì)禁止它用作超類。
　　
　　意外的方法覆蓋
　　任何 mixin 公式都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常嚴(yán)重的問題：特定 mixin 的方法名可能與其超類的潛在實(shí)例化的方法名沖突。例如，假設(shè)類 Scrollable 包含不帶任何參數(shù)的方法 getSize 并返回一個(gè) Size 對(duì)象，編碼了其水平和垂直尺寸。現(xiàn)在，我們假設(shè)類 MyTextPane（JComponent 的子類）也包含不帶任何參數(shù)的方法 getSize，但返回一個(gè) int，表示調(diào)用它的對(duì)象的屏幕面積。
　　
　　產(chǎn)生的類顯示如下：
　　
　　清單 1. 意外方法覆蓋的示例
　　
　　class Scrollable< T extends JComponent> extends T {
　　　...
　　　Size getSize() {...}
　　}
　　
　　class MyTextPane extends JComponent {
　　　...
　　　int getSize() {...}
　　}
　　
　　new Scrollable< MyTextPane>()
　　
　　隨后 mixin 實(shí)例化 Scrollable< MyTextPane> 會(huì)包含兩個(gè)帶有同樣（空）參數(shù)類型的方法 getSize，但返回類型不一致！因?yàn)槲覀儾荒苤竿?Scrollable 的程序員或 MyTextPane 的程序員預(yù)見這個(gè)有問題的 getSize 覆蓋（究竟，他們甚至不可能在同一個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)），因此我們稱之為意外覆蓋。
　　
　　當(dāng) mixin 被明確表述為泛型類時(shí)，意外覆蓋的問題非凡討厭。因?yàn)?mixin 的父類可能用類型參數(shù)被實(shí)例化，因此類型檢查器就不能確定意外方法覆蓋的所有情況。而且，在意外覆蓋出現(xiàn)時(shí)拋出運(yùn)行時(shí)異常是無法接受的，因?yàn)榭蛻魴C(jī)程序員無法猜測(cè)何時(shí)將拋出這樣的異常。假如我們想編寫可靠的程序，那么我們必須禁止在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)無法預(yù)料的錯(cuò)誤。
　　
　　另一個(gè)解決方案是只隱藏這些相互沖突的方法中的一個(gè)，并解析所有匹配的方法調(diào)用以引用未隱藏的方法。這個(gè)解決方案的問題是我們希望諸如 Scrollable< MyTextPane> 這樣的 mixin 實(shí)例化可用于調(diào)用 Scrollable 對(duì)象的上下文以及調(diào)用 MyTextPane 對(duì)象的上下文中。隱藏 getSize 方法中的任一個(gè)都會(huì)在這兩個(gè)上下文中禁止使用 Scrollable< MyTextPane>。
　　
　　在 1998 年召開的有關(guān)編程語言原理的 ACM SIGPLAN-SIGACT 研討會(huì)（請(qǐng)參閱參考資料）上，F(xiàn)elleisen、Flatt 和 Krishnamurthi 提出了在 mixin 不屬于泛型類型的上下文中針對(duì)該問題的一個(gè)好的解決方案：基于使用 mixin 實(shí)例化的上下文來解決對(duì)相互沖突的方法的引用。在這個(gè)解決方案中，mixin 包含有

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