Дженерики в Java — стирание типов, наследование и PECS

В работе с Java-кодом подразумевается несколько вариантов его применения.

Один из них — изучить весь код и дописать необходимый кусок для достижения нужного результата.

Другой же путь — использовать уже готовый код.

Именно для этого и создается библиотека кода.

Любой желающий может обратиться к ней, чтобы найти нужный фрагмент для своей задачи.

Казалось бы, с таким подходом не должно возникать вопросов.

Но загвоздка в том, что один и тот же код может быть использован в разных условиях.

К примеру, для работы с различным количеством элементов.

Без учета этих условий код перестает соответствовать некоторым требованиям.

Возникает потребность в его корректировке.

Вот на этом этапе и пригодятся обобщенные возможности Java, которые не привязаны к конкретному количеству элементов.

В процессе работы это количество можно изменять по мере возникновения необходимости.

Так, можно избежать повторной сдачи готового фрагмента в библиотеку, чтобы учесть другие варианты использования.

Именно такие возможности в Java называются дженериками.

Виды обобщений

Существуют различные варианты параметризации типов обобщений.

Один из самых распространенных — это параметризация классов.

В этом случае мы можем задать параметры типа при создании объекта класса.

Другой вид — это параметризация методов.

В этом случае мы можем задать параметры типа при вызове метода.

Параметризация позволяет нам создавать гибкие типы, которые могут работать с различными типами данных и обеспечивать больший уровень типизации программного кода.

Стирание типов

В процессе преобразования типов для обеспечения совместимости в Java удаляются сведения о конкретных классах или интерфейсах, которые используются в качестве параметров шаблонных классов. Иными словами, универсальные типы обращаются с реальными типами так, как будто бы они были объектами самого общего класса Object. Это очищение, известное как cтирание типов, помогает сохранить типобезопасность и производительность.

Операции со стёртыми типами выполняются во время компиляции, а не во время выполнения программы.

Параметризованные типы после компиляции представляются базовыми классами или интерфейсами, а не фактическими типами параметров.

Несмотря на стирание типов, система типов Java поддерживает ковариантность и контравариантность для обеспечения гибкой работы с универсальными типами.

Наследники и обобщения

Наличие в языке возможности создавать универсальные типы данных, совместимые со множеством элементов, не означает, что при этом отменяются все различия между этими элементами. Иерархия классов, реализованная при наследовании, не отменяется. Любой потомок может считаться родителем, но не наоборот. Аналогично и в обобщении. Универсальный тип может совмещать данные различных классов, но только при условии соблюдения принципа неизменности.

Точнее, первый из видов — ковариантность — разрешает использовать в качестве наследников лишь элементы, более общие, чем элемент, используемый в родительском классе. Это обеспечивает совместимость и однозначность использования данных в обобщенных структурах.

Какие выгоды это приносит? В ковариантном классе вызов метода родителя может приводить к работе с объектами более общими, чем в обобщенном родительском классе. Следовательно, класс-потомок получает доступ к более широкому набору функциональных возможностей и структур данных.

Обобщение позволяет использовать единообразие в организации данных, одновременно учитывая их специфические различия. С его помощью обеспечивается гибкость, универсальность и безопасность работы с данными.

Ковариантность и контравариантность

Некоторые обобщенные типы ведут себя особым образом, когда речь идет о присвоении и наследовании. В таких случаях обобщенные типы демонстрируют концепцию ковариантности и контравариантности.

Ковариантность относится к типам, которые производны от своих суперклассов.

Контравариантность, в свою очередь, применима к типам, которые наследуются в качестве суперклассов.

Понимание этих концепций имеет решающее значение для правильного использования обобщенных типов и предотвращения потенциальных ошибок.

Область применения ковариантности и контравариантности

Ковариантность подразумевает, что данные могут двигаться в одном направлении.

Контравариантность, наоборот, позволяет данным двигаться в противоположном направлении.

Эти концепции находят применение в различных ситуациях. К примеру, при работе с иерархией классов ковариантность может быть использована для обеспечения того, чтобы производные классы могли заменять базовые в ковариантных позициях. А контравариантность может быть полезна, когда необходимо обеспечить, чтобы при передаче производных классов в качестве аргументов функций, принимающих базовые классы, данные передавались безопасно.

Принцип PECS

Что это?

Зачем?

При разработке сложного ПО нередко приходится передавать данные разных типов в качестве параметров или возвращаемых значений.

Чтобы обеспечить безопасность типов, компилятор стирает информацию о типах параметров в момент компиляции.

Это может привести к неопределенности при работе с коллекциями, поскольку нельзя однозначно определить, какого типа элементы могут содержаться в коллекции.

И здесь на помощь приходит принцип PECS, который позволяет избежать этих проблем.

В чем суть?

Суть принципа PECS в том, что для коллекций, которые будут только считываться (продюсеров), необходимо указывать верхнюю границу типа (Producer Extends Close Supertype), а для коллекций, в которые данные будут записываться (потребителей), необходимо указывать нижнюю границу типа (Consumer Super Extends Closest Type), чтобы обеспечить корректное приведение типов и избежать ошибок компиляции.

Границы для PECS

Применяя принцип PECS, важно учитывать границы для классов, используемых как параметры типовых переменных.

Существуют два типа границ: верхняя и нижняя.

Верхняя граница

Верхняя граница обозначает, что класс, используемый как параметр типовой переменной, должен быть дочерним по отношению к указанному классу. Это гарантирует, что данный класс будет иметь все методы и поля родительского класса.

Нижняя граница

Нижняя граница, наоборот, означает, что класс, используемый как параметр типовой переменной, должен являться родительским по отношению к указанному классу. Это гарантирует, что данный класс предоставляет все методы и поля, необходимые дочерним классам.

Установление правильных границ при использовании PECS помогает избежать проблем с унаследованными методами и полями, обеспечивая согласованность и гибкость кода.

Применение принципа PECS

Он гарантирует, что коллекции, созданные с использованием обобщенного типа, могут безопасно взаимодействовать друг с другом.

Для обобщенных типов, представляющих коллекции производителей (провайдеров), рекомендуется использовать верхнюю границу (Producer Extends Bound).

Наоборот, для обобщенных типов, представляющих коллекции потребителей, рекомендуется использовать нижнюю границу (Consumer Super Bound).

Следуя этому соглашению, можно избежать проблем безопасности типов, которые могут возникнуть при смешивании обобщенных коллекций с разными типами параметров.

Преимущества и недостатки обобщений

Обобщения, или дженерики, привнесли в программирование на Java ряд важных преимуществ. Они обеспечивают большую гибкость и повторное использование кода. Однако, как и любой инструмент, они имеют и свои недостатки.

* **Повышенная безопасность типов.** Один из главных плюсов обобщений — это повышение безопасности типов кода. Благодаря им компилятор может проверять типы обобщенных коллекций во время компиляции. Это снижает риск возникновения ошибок типов во время выполнения программы.

* **Уменьшение количества дублированного кода.** Обобщения позволяют создавать код, который может использоваться с различными типами данных. Это сокращает количество повторяющегося кода и повышает его читаемость.

* **Повышенная гибкость.** Обобщенный код может работать с различными типами данных, что придает ему большую гибкость. Это облегчает разработку и обслуживание приложений.

Однако у обобщений есть и некоторые недостатки.

* **Стирание типов во время выполнения.** Обобщения в Java подвергаются «стиранию типов» во время выполнения. Это означает, что вся типовая информация теряется, что может привести к снижению производительности и проблемам безопасности.

* **Потеря производительности.** Обобщенный код может быть менее эффективным, чем код, написанный для конкретных типов данных. Это связано с тем, что обобщенный код должен работать с широким диапазоном типов данных, что требует дополнительных проверок и операций.

Преимущества	Недостатки
Повышенная безопасность типов	Стирание типов во время выполнения
Уменьшение дублированного кода	Потеря производительности
Повышенная гибкость

Несмотря на эти недостатки, обобщения являются мощным инструментом в Java, которые могут значительно повысить качество и эффективность кода. При разумном использовании они могут упростить разработку приложений, повысить их безопасность и снизить количество дублирующегося кода.

Оптимизация с обобщениями

Создание обобщённого программного кода обеспечивает гибкость, но может влиять на его производительность. Применение некоторых оптимизаций может помочь улучшить быстродействие вашего обобщённого кода.

Одна из таких оптимизаций заключается в использовании методов с точными типами.

Другим полезным приёмом оптимизации является кэширование общих значений обобщения.

Допускать максимально возможное использование специализированных методов в обобщённых классах и интерфейсах.

Следует использовать конкретные типы для элементов обобщения, особенно когда это возможно из контекста.

Сохранение типов

Чтобы сохранить типы обобщений во время выполнения, рекомендуется использовать специальные версии методов и конструкторов с точными параметрами типов.

Это позволяет избежать стирания типов во время компиляции и повышает производительность для обобщённых типов.

Предостережения при использовании обобщенных типов

Работа с обобщенными типами может быть как благословением, так и проклятием. Хотя они предлагают гибкость и повторное использование кода, они также могут привести к тонким и трудноуловимым ошибкам.

Вот несколько распространенных ловушек, о которых следует помнить:

— Помните, что обобщенные типы являются инвариантными. Это означает, что вы не можете присвоить тип родителя типу потомка или наоборот.

— Будьте осторожны при использовании джокеров. Джокеры представляют любой тип, поэтому они могут приводить к неожиданному поведению.

— С осторожностью используйте ограниченные обобщенные типы. Ограничения могут быть полезны, но они также могут ограничить возможность повторного использования кода.

При правильном использовании обобщенные типы могут значительно повысить гибкость и повторное использование кода в вашей программе на Java. Однако важно быть в курсе потенциальных ловушек, чтобы избежать ошибок и разочарований.

Реализация обобщенных хранилищ

Создание обобщенных коллекций требует особого внимания. Тип параметра, указанный в угловых скобках, будет заменен на соответствующий действительный тип во время компиляции.

Стирание типа происходит, когда компилятор удаляет информацию о параметрах типа во время компиляции. Это важно для совместимости с уже существующими коллекциями без обобщений.

Наследование и обобщение могут взаимодействовать различными способами. Ковариантность и контравариантность определяют, как типы параметров ведут себя при наследовании.

Ковариантность означает, что тип параметра становится шире в подклассе, а контравариантность — что тип параметра становится уже. Эти правила помогают гарантировать безопасность типов при наследовании обобщенных классов.

Правильное применение обобщения во время реализации коллекций требует тщательного понимания принципов ко- и контравариантности. Это помогает обеспечить, чтобы коллекции работали корректно и безопасно в различных сценариях.

Альтернативы обобщениям

В отдельных случаях, разработчики прибегают к альтернативным способам реализации функционала, нежели обобщения.

Нередко практикуется применение коллекций с определёнными типами.

Для более гибкого подхода используют шаблоны проектирования (например, Шаблон Метод или Шаблон Стратегии).

Иногда, для обобщения типов прибегают к использованию рефлексии.

Однако, следует отметить, что обобщения предоставляют ряд преимуществ по сравнению с альтернативными решениями, такими как обеспечение безопасности типов во время компиляции и улучшение производительности.

Вопрос-ответ:

Что такое стирание типов в generics Java и как это влияет на хранение данных?

Стирание типов — это процесс удаления информации о типе для generic классов и методов во время компиляции. Это означает, что информация о типе параметров типа не сохраняется во время выполнения, что приводит к ограничению операций, которые можно выполнять над generic объектами. Например, нельзя получить класс generic-объекта во время выполнения.

Как реализуется наследование в generic в Java и каковы его ограничения?

Наследование в generics Java позволяет создавать подклассы generic классов с использованием новых типов параметров. Однако, классы-потомки наследуют только структуру типа, а не конкретные типы параметров родительского класса. Это означает, что подклассы могут иметь свой собственный набор типов параметров, отличный от родительского класса.

Объясните принцип PECS (производителей и потребителей) для generic в Java.

Принцип PECS определяет, как generic классы и методы обрабатываются как поставщики (производители) или потребители значений. Для типов-производителей (in/extends) можно безопасно передавать подтипы в качестве аргументов, тогда как для типов-потребителей (out/super) можно безопасно возвращать подтипы. Принцип PECS гарантирует, что типы аргументов и возвратных типов соответствуют ожидаемым типам и исключает недопустимые приведения.

Как преобразовать generic объект к его типу приведения?

Generic объекты можно преобразовать к их типам приведения во время выполнения с помощью оператора приведения. Однако, следует соблюдать осторожность при выполнении такого приведения, так как оно может привести к нежелательным ошибкам времени выполнения, если тип объекта не совпадает с ожидаемым типом приведения.

**Что такое стирание типов?**

При использовании дженериков компилятор Java выполняет «стирание типов», удаляя всю информацию о типах параметров при компиляции. Это означает, что при выполнении программы информация о типе параметра больше недоступна, и все объекты рассматриваются как объекты базового типа без учета конкретного параметра типа.

**Что такое принцип PECS?**

Принцип «Producer Extends, Consumer Super» (PECs) гласит, что класс-производитель дженериков должен расширять (extends) тип параметра, а класс-потребитель должен находиться в отношении super к типу параметра. Другими словами, производители дженериков могут производить значения всех типов, включая подтипы типа параметра, а потребители могут потреблять значения любого типа, который является супертипом типа параметра. Это позволяет обеспечить безопасность типов и предотвратить проблемы с преобразованием типов.

Видео:

Java SE. Урок 28. Generic / Параметризация / Обобщения