Wildcardok

Korlátlan, felső korlátos és alsó korlátos wildcardok — valamint a PECS szabály, amely a valódi generikus API-kat használhatóvá teszi.

1. Definíció

Mi ez?

A wildcard egy ismeretlen generikus típust reprezentál.

Ahelyett, hogy azt mondanád, „ez pontosan egy List<String>”, a wildcard lehetővé teszi, hogy azt mondd: „ez valamilyen List, de itt nem tudom a pontos elemtípust”.

A leggyakoribb formák:

• <?>
• <? extends T>
• <? super T>

A wildcardok azért fontosak, mert a Java generics invariáns.

Ez azt jelenti, hogy a List<Integer> nem lesz a List<Number> altípusa, hiába altípusa az Integer a Number-nek.

Miért létezik?

Wildcardok nélkül sok újrahasznosítható API vagy túl szigorú lenne, vagy nem lenne biztonságos.

Például egy metódus, amely csak olvasni akar numerikus listából, ne csak pontosan List<Number>-t fogadjon.

Fogadnia kellene List<Integer>-t, List<Double>-t és más numerikus listákat is.

A wildcard ezt a kapcsolatot fejezi ki biztonságosan.

Hova illeszkedik?

A wildcardok fogalmilag a generics alapok és a type erasure közé esnek nehézségben.

Kiemelten fontosak itt:

• library API design
• kollekciós utilityk
• stream és comparator segédek
• framework extension pointok
• interjúkérdések varianciáról és helyettesíthetőségről

Ha a generics alapok arról szólnak, hogyan paraméterezel egy típust, akkor a wildcardok arról, hogyan tudnak együttműködni a különböző paraméterezett típusok.

2. Alapfogalmak

2.1 Először az invariancia

2.1.1 Kulcsszavak és szerződések, amelyeket itt explicit módon ki kell mondani

A wildcardok sokkal tisztábbak, ha a mögöttük lévő szerződési szavakat tudatosan néven nevezzük:

• invariance — a List<Integer> nem altípusa a List<Number>-nek.
• unbounded wildcard — <?>, vagyis ismeretlen típus, főleg Object-ként olvasható szemantikával.
• upper-bounded wildcard — <? extends T>, amikor az értékeket főleg olvasod a struktúrából.
• lower-bounded wildcard — <? super T>, amikor az értékeket főleg beleírod a struktúrába.
• producer — olyan paraméter, amelyből főleg olvasol.
• consumer — olyan paraméter, amelybe főleg írsz.
• PECS — a Producer Extends, Consumer Super rövid szabálya.
• wildcard capture — compiler-technika, amely helper metódusban egy ismeretlen wildcardot konzisztens belső típusváltozóként kezelhetővé tesz.

Ezek a szavak a szignatúra szerződésének részei. Egy jó wildcardos API megmutatja a hívónak, hogy a paraméter olvasásra, írásra vagy mindkettőre szolgál-e.

A wildcardok előtt az invarianciát kell érteni.

List<Integer> integers = List.of(1, 2, 3);
// List<Number> numbers = integers; // fordítási hiba

A Java ezt azért tiltja, mert a List<Number> nézeten keresztül történő írás nem lenne biztonságos.

Ha ez megengedett lenne, be lehetne tenni egy Double-t egy eredetileg List<Integer> listába.

A wildcard kontrollált rugalmasságot ad anélkül, hogy feláldozná a biztonságot.

2.2 Korlátlan wildcard ``

A <?> azt jelenti, hogy „valamilyen ismeretlen típus”.

Akkor hasznos, ha:

• a kódnak csak konténerként kell tekintenie az objektumra
• csak olyan metódusokat hívsz, amelyek nem függnek a konkrét elemtípustól
• főleg Object-ként olvasol ki értékeket

public static void printAll(List<?> values) {
    for (Object value : values) {
        System.out.println(value);
    }
}

A List<?> listából Object-ként biztonságosan olvashatsz.

Tetszőleges elemet viszont nem tudsz biztonságosan hozzáadni, mert az elemtípus ismeretlen.

2.3 Felső korlátos wildcard ``

Ez a forma azt jelenti, hogy „valamilyen ismeretlen T altípus”.

Akkor ideális, ha a struktúra értékeket termel a számodra.

public static double sum(List<? extends Number> values) {
    double total = 0;
    for (Number value : values) {
        total += value.doubleValue();
    }
    return total;
}

A metódus elfogadja például:

• List<Integer>
• List<Long>
• List<Double>
• List<Number>

A lényegi megkötés az írásnál jön elő.

Egy List<? extends Number> listához általában nem adhatsz hozzá értékeket, mert a tényleges altípus nem ismert.

2.4 Alsó korlátos wildcard ``

Ez a forma azt jelenti, hogy „valamilyen ismeretlen T szupertípus”.

Akkor ideális, ha a struktúra fogyasztja a tőled érkező értékeket.

public static void addDefaults(List<? super Integer> target) {
    target.add(0);
    target.add(1);
}

A metódus elfogadja például:

• List<Integer>
• List<Number>
• List<Object>

Integer értékeket biztonságosan hozzáadhatsz.

Visszaolvasáskor viszont a compiler csak Object-et tud garantálni, mert a pontos tárolt típus nem ismert.

2.5 PECS

A PECS jelentése:

• Producer Extends
• Consumer Super

Ez egy memóriasegéd, nem formális nyelvi szabály.

Az extends akkor jó, ha:

• főleg olvasol
• a forrásstruktúra értékeket termel az algoritmusodnak

A super akkor jó, ha:

• főleg írsz
• a célstruktúra a te algoritmusod által előállított T értékeket fogyasztja

Interjún ez talán a legfontosabb wildcard szabály.

2.6 Wildcard capture

Előfordul, hogy a wildcardos publikus API kívülről helyes, de a belső implementációhoz konkrét típusparaméter kell.

Ilyenkor jön jól a saját típusparaméterrel rendelkező helper metódus.

public static void swapFirstTwo(List<?> list) {
    swapHelper(list);
}

private static <T> void swapHelper(List<T> list) {
    T first = list.get(0);
    list.set(0, list.get(1));
    list.set(1, first);
}

Ezt nevezik wildcard capture-nek.

A helper lehetővé teszi, hogy a compiler az ismeretlen wildcardot egy konzisztens, névvel ellátott típusként kezelje.

2.7 Miért nem wildcard a `List