3.3 Γενικευμένοι Τύποι (Generics)

Όπως είδαμε στα μαθήματα της 1ης εβδομάδας, οι πίνακες ελέγχουν τον τύπο δεδομένων των στοιχείων που προσπαθούμε να προσθέσουμε σ’ αυτούς:

jshell> String[] names = new String[3];
names ==> String[3] { null, null, null }

jshell> names[0]="Κώστας"
$12 ==> "Κώστας"

jshell> names[1]="Μαρία"
$13 ==> "Μαρία"

jshell> names[3]=10
|  Error:
|  incompatible types: int cannot be converted to java.lang.String
|  names[3]=10
|           ^^

Στο προηγούμενο μάθημα είδαμε πώς μπορούμε να αποθηκεύσουμε μια ακολουθία αντικειμένων σε μια λίστα. Το πρόβλημα είναι ότι δεν γίνεται έλεγχος για τον τύπο των δεδομένων που εισάγονται στη λίστα. Αν π.χ. θέλουμε να αποθηκεύσουμε μόνο συμβολοσειρές, και σε κάποιο σημείο του κώδικά μας εισάγουμε κατά λάθος κάποιον ακέραιο στη λίστα μας, τότε είναι πολύ αργά (κατά την εκτέλεση του προγράμματός μας) προτού καταλάβουμε το λάθος μας.

jshell> List strings = new ArrayList(Arrays.asList("one", "two", "three"));
|  Warning:
|  unchecked call to ArrayList(java.util.Collection<? extends E>) as a member of the raw type java.util.ArrayList
|  List strings = new ArrayList(Arrays.asList("one", "two", "three"));
|                 ^-------------------------------------------------^
strings ==> [one, two, three]

jshell> strings.add(4)
|  Warning:
|  unchecked call to add(E) as a member of the raw type java.util.List
|  strings.add(4)
|  ^------------^
$1 ==> true

jshell> strings
strings ==> [one, two, three, 4]

jshell> for (Object s : strings) 
   ...> System.out.println(((String)s).toUpperCase())
ONE
TWO
THREE
|  java.lang.ClassCastException thrown: java.base/java.lang.Integer cannot be cast to java.base/java.lang.String
|        at (#114:1)

Για να αποφύγουμε τέτοια προβλήματα, από την έκδοση 5 η γλώσσα εισήγαγε την έννοια των γενικευμένων τύπων (generics).

Ας δούμε πώς μπορούμε να γράψουμε ένα από τα παραδείγματα του προηγούμενου κεφαλαίου χρησιμοποιώντας generics:

jshell> List<Integer> array = new ArrayList<>();  // ή new ArrayList<Integer>()
array ==> []

jshell> array.add(10);
$1 ==> true

jshell> array.add(20);
$2 ==> true

jshell> array.add(30);
$3 ==> true

jshell> array
array ==> [10, 20, 30]

jshell> array.size()
$4 ==> 3

Πλέον δηλώνουμε ότι η λίστα array μπορεί να δέχεται μόνο στοιχεία τύπου Integer. Χάρις στο autoboxing, τα στοιχεία τύπου int που προσθέτουμε στη λίστα μετατρέπονται σε τύπου Integer καθώς οι συλλογές δεν μπορούν ν’ αποθηκεύσουν πρωτογενείς τύπους. Ο τελεστής <> ονομάζεται τελεστής διαμάντι και εισήχθηκε στην έκδοση 7 της γλώσσας. Απλοποιεί τη σύνταξη:

jshell> List<Integer> array = new ArrayList<Integer>();
array ==> []

Ας δούμε πώς μπορούμε να εξαφανίσουμε το casting με τη χρήση των generics:

jshell> int sum = 0;
sum ==> 0

jshell> for (int i=0; i < array.size(); i++)
	...>    sum += array.get(i);

jshell> sum
sum ==> 60

jshell> sum = 0
sum ==> 0

jshell> Iterator<Integer> iter = array.iterator();
iter ==> java.util.Arrays$ArrayItr@13805618

jshell> while (iter.hasNext()) 
	...>    sum += i.next();

jshell> sum = 0
sum ==> 0

jshell> for (int n : array) 
	...>    sum += n;

Αν διαβάσετε το ΑΡΙ της List θα παρατηρήσετε ότι ορίζεται ως List<E> (διαβάζεται ‘μια λίστα από αντικείμενα τύπου Ε’), όπου Ε είναι ο γενικευμένος τύπος που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε, π.χ. Integer, String, Car, Point κλπ. Όταν αντικαθιστούμε το Ε με κάποιον τύπο δεδομένων (π.χ. String) τότε μιλάμε για παραμετροποιημένο τύπο δεδομένων (parameterized type).

Ως άσκηση, ξαναγράψτε τα παραδείγματα του προηγούμενου μαθήματος χρησιμοποιώντας τον σωστό γενικευμένο τύπο για τη λίστα σας. Παρατηρήστε ότι δεν απαιτείται πλέον να χρησιμοποιήτε casting.

Παρόλο που οι γενικευμένοι τύποι είναι πολύ χρήσιμοι καθώς επιτρέπουν να βρίσκουμε λάθη κατά τη διάρκεια της μεταγλώττισης, δυστυχώς για λόγους προς τα πίσω συμβατότητας (backwards compatibility) ο μεταγλωττιστής ‘διαγράφει’ τον γενικευμένο τύπο (type erasure) με αποτέλεσμα κατά την εκτέλεση του προγράμματος όλοι οι γενικευμένοι τύποι έχουν μετατραπεί σε Object. Τύποι δεδομένων που δε ‘σβήνονται’ κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης του προγράμματος ονομάζονται τυπικοί (reified) (π.χ. Integer, String), ενώ αυτοί οι οποίοι ‘σβήνονται’ λέγονται μη τυπικοί (non-reified) (π.χ. List<String>). Έτσι π.χ. κατά την εκτέλεση του προγράμματος οι τύποι δεδομένων List<Integer> και List<String> μετατρέπονται στον ίδιο τύπο δεδομένων List<Object> ή List.

Ας δούμε ένα ακόμα παράδειγμα. Η κλάση Integer κληρονομεί από την κλάση Number.

jshell> List<Integer> ints = new ArrayList<>();
ints ==> []

jshell> ints.add(10);
$13 ==> true

jshell> ints.add(20);
$14 ==> true

jshell> List<Number> nums = ints; // compile-time error
|  Error:
|  incompatible types: java.util.List<java.lang.Integer> cannot be converted to java.util.List<java.lang.Number>
|  List<Number> nums = ints; // compile-time error
|                      ^--^

Με άλλα λόγια, η Αρχή της Υποκατάστασης (Substitution Principle) δεν ισχύει για τους γενικευμένους τύπους. Δηλ., αν και Integer extends Number δεν ισχύει ότι List<Integer> extends List<Number>.

Αν δεν γνωρίζετε τι γενικευμένο τύπο δεδομένων να χρησιμοποιήσετε για να επιλύσετε κάποιο πρόβλημά σας, υπάρχει και ο μη δεσμευμένος (unbounded) τύπος δεδομένων, π.χ. List<?>. Βέβαια, σ’ αυτή την περίπτωση μπορείτε να εισάγετε μόνο τιμές null στη συλλογή αυτή καθώς προσπάθεια προσθήκης άλλου τύπου δεδομένων εμφανίζει λάθος όπως π.χ. incompatible types: java.lang.String cannot be converted to capture#2 of ?.

Για ακόμα μεγαλύτερη ασφάλεια, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τις αντίστοιχες στατικές μεθόδους checkedXXX της Collection:

checkedCollection()     checkedList()           checkedMap()            
checkedNavigableMap()	checkedNavigableSet()   checkedQueue()         
checkedSet() 	checkedSortedMap()      checkedSortedSet() 

Π.χ.:

jshell> List<String> names = Collections.checkedList(new ArrayList<>(), String.class);
names ==> []

jshell> Collections.addAll(names, "Κατερίνα", "Σοφία", "Μαρία");
$15 ==> true

jshell> names.add(42)
|  Error:
|  incompatible types: int cannot be converted to java.lang.String
|  names.add(42)
|            ^^

Boxing, unboxing, autoboxing

Όπως είδαμε σε προηγούμενο μάθημα, κάθε πρωτογενής (raw) τύπος διαθέτει την αντίστοιχη κλάση του:

Πρωτογενής τύπος	Τύπος αναφοράς
`byte`	`Byte`
`short`	`Short`
`int`	`Integer`
`long`	`Long`
`float`	`Float`
`double`	`Double`
`boolean`	`Boolean`
`char`	`Character`

Η μετατροπή ενός πρωτογενής τύπου στην αντίστοιχη κλάση του ονομάζεται εγκλεισμός (boxing) ενώ η αντίστροφη μετατροπή απεγκλεισμός (unboxing). Όταν εισάγουμε έναν πρωτογενή τύπο σε μια συλλογή, αυτός αυτόματα εγκλύεται στον αντίστοιχο τύπο αναφοράς και αντίστροφα όταν ανακτάμε το στοιχείο από τη συλλογή και το αποθηκεύουμε σε μια μεταβλητή πρωτογενή τύπου.

Έτσι π.χ.

List<Integer> arrayOfints = new ArrayList<>();
arrayOfints.add(1);
int n = arrayOfints.get(0);

χωρίς autoboxing θα έπρεπε να γραφτεί ως:

List<Integer> arrayOfints = new ArrayList<>();
arrayOfints.add(Integer.valueOf(1));   // ή new Integer(1)
int n = arrayOfints.get(0).intValue();

Υπο- και υπερ-γενικευμένοι τύποι

Είδαμε προηγουμένως ότι η Αρχή της Υποκατάστασης (Substitution Principle) δεν εφαρμόζεται στους γενικευμένους τύπους. Έτσι δεν μπορούμε π.χ. να γράψουμε:

jshell> List<Number> nums = new ArrayList<Integer>();
|  Error:
|  incompatible types: java.util.ArrayList<java.lang.Integer> cannot be converted to java.util.List<java.lang.Number>
|  List<Number> nums = new ArrayList<Integer>();
|                      ^----------------------^

Η γλώσσα όμως μας παρέχει τη δυνατότητα να γράψουμε:

jshell> List<? extends Number> nums = new ArrayList<Integer>();
nums ==> []

που σημαίνει μπορούμε να προσθέσουμε στη λίστα nums τόσο στοιχεία τύπου Number όσο και στοιχεία οποιασδήποτε υποκλάσης της Number.

Π.χ. η διεπαφή Collection ορίζει τη μέθοδο:

interface Collection<E> {
	...
	public boolean addAll(Collection<? extends E> c);
		...
	}

που σημαίνει ότι μπορούμε να προσθέσουμε στη συλλογή οποιοδήποτε στοιχείο κληρονομεί από την Ε, οπότε θα μπορούσαμε να γράψουμε:

jshell> List<Number> nums = new ArrayList<>();
nums ==> []

jshell> List<Integer> ints = Arrays.asList(10, 20);
ints ==> [10, 20]

jshell> List<Double> dbls = Arrays.asList(2.78, 3.14);
dbls ==> [2.78, 3.14]

jshell> nums.addAll(ints);
$19 ==> true

jshell> nums.addAll(dbls);
$20 ==> true

jshell> nums
nums ==> [10, 20, 2.78, 3.14]

Η γλώσσα διαθέτει και τη λέξη κλειδί super η οποία δηλώνει οποιαδήποτε υπερκλάση της κλάσης, π.χ.:

jshell> List<? super Integer> nums = new ArrayList<>();

δηλώνει ότι η nums δέχεται ως στοιχεία τύπου Integer αλλά και οποιασδήποτε υπερκλάσης της Integer, δηλ. Number και Object.

public static <T> void copy(List<? super T> dst, List<? extends T> src);

Πότε χρησιμοποιούμε την extends και πότε τη super; Σύμφωνα με την Αρχή Βγάλε και Βάλε (Get And Put Principle) χρησιμοποιήστε την extends όταν θέλετε να βγάλετε τιμές από τη δομή και την super όταν θέλετε να εισάγετε τιμές στη δομή δεδομένων. Όταν θέλετε να κάνετε και τις δυο ενέργειες, μη χρησιμοποιείτε καμιά από τις δυο.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα η μέθοδος copy() που είδαμε πιο πάνω. Θέλουμε να εξάγουμε στοιχεία από την src ενώ θέλουμε να εισάγουμε στην dst. Ένας iterator εξάγει στοιχεία από μια δομή, άρα θα πρέπει να οριστεί με extends.

Άλλο παράδειγμα, η java.util.Collections.sort():

public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list) {...}

Το Τ πρέπει να είναι τύπου Comparable κι αυτό το Comparable πρέπει να ορίζεται στο Τ ή σε μια υπερκλάση του Τ.

Η List<?> είναι ισοδύναμη με List<? extends Object>:

List<?> list = new ArrayList<Object>(); // ok
List<?> list = new ArrayList<?>() // compile-time error
List<?> list = new ArrayList<>(); // ok

Γενικευμένες κλάσεις και μέθοδοι

Μπορούμε να δημιουργήσουμε τις δικές μας γενικευμένες κλάσεις. Θα δούμε παραδείγματα στο μάθημα 3.5 όταν θα μιλήσουμε για τις Ουρές.

public class MyGenericClass<T> {
//...
}

Αν όμως η κλάση δεν είναι γενικευμένη αλλά θέλουμε να δηλώσουμε μια γενικευμένη μέθοδο, τότε η σύνταξη είναι ως εξής:

class MyClass {
	public void nonGenericMethod(String v) {}
	public <T> void myMethod(T t) {}
	public <T extends Number & Comparable> void myMethod(T t) {}	
}

Όπως η γλώσσα υποστηρίζει απλή κληρονομικότητα για κλάσεις και πολλαπλή κληρονομικότητα για επαφές, το ίδιο ισχύει και για τους γενικευμένους τύπους όπως φαίνεται στα παρακάτω παραδείγματα:

class Test<T extends Number & Runnable> {};				// OK <=> T extends Number implements Runnable 
class Test<T extends Number & Runnable&Comparable> {};	// OK <=> T extends Number implements Runnable, Comparable
class Test<T extends Number & String> {};				// Not OK <=> T extends Number, String
class Test<T extends Runnable & Comparable> {};			// OK <=> T implements Runnable, Comparable
class Test<T extends Comparable & Number> {};  	 		// Not OK <=> T implements Comparable extends Number

Σύγκριση Λίστας με Πίνακα

Οι πίνακες (arrays) είναι συμμεταβαλλόμενοι (covariant) που σημαίνει ότι αν η κλάση Cat extends Animal τότε η κλάση Cat[] extends Animal[]. Αντιθέτως οι γενικευμένοι τύποι (generics) είναι μη συμμεταβαλόμενοι (invariant) δηλ. η List<Cat> δε κληρονομεί από τη List<Animal>.

Έτσι π.χ.

jshell> Animal[] animals = new Cat[1];
animals ==> Cat[1]

jshell> List<Animal> animals_ = new ArrayList<Cat>();
|  Error:
|  incompatible types: java.util.ArrayList<Cat> cannot be converted to java.util.List<Animal>
|  List<Animal> animals_ = new ArrayList<Cat>();
|                          ^------------------^

Άλλη διαφορά, όπως είδαμε προηγουμένως, είναι ότι οι πίνακες είναι τυπικοί (reified) (δηλ. δεν σβήνεται ο τύπος δεδομένων τους κατά την εκτέλεση) ενώ οι γενικευμένοι τύποι είναι μη τυπικοί (non-reified) (π.χ. η List<String> μετατρέπεται σε List κατά την εκτέλεση).

Γι’ αυτούς τους λόγους, απαγορεύεται να δημιουργήσετε πίνακες γενικευμένων τύπων. Π.χ.

jshell> List<Animal>[] arrayOfListOfCats = new ArrayList<Animal>[1];
|  Error:
|  generic array creation
|  List<Animal>[] arrayOfListOfCats = new ArrayList<Animal>[1];
|                                     ^----------------------^

Παρόλ’ αυτά σημειώστε, ότι η παρακάτω δήλωση είναι έγκυρη, αν και όχι ιδιαίτερα χρήσιμη:

jshell> List<?>[] list = new ArrayList<?>[1];
list ==> ArrayList[1] { null }

Σημειώστε όμως, ότι μπορείτε να δημιουργήσετε πίνακες που να περιέχουν γενικευμένους τύπους, π.χ.

jshell> List<int[]> listOfInts = new ArrayList<>();
listOfInts ==> []

Πίνακας 1 Σύγκριση πίνακα / συλλογής

Πίνακες	Συλλογές
Σταθερό μέγεθος	Μεταβλητό μέγεθος
Αποδοτικότεροι	Λιγότερο αποδοτικές
Μόνο ίδιου τύπου στοιχεία	Διαφορετικού τύπου στοιχεία
Αποθηκεύουν πρωτογενείς τύπους και αντικείμενα	Αποθηκεύουν μόνο αντικείμενα

Οι διεπαφές `Collection<E>, List<E>, Iterable<E>`

Στο προηγούμενο μάθημα είδαμε την κλάση List<E> και είδαμε πως υπάρχουν παγίδες κατά τη χρήση των μεθόδων της κλάσης.

public interface Collection<E> {
...
	public boolean contains(Object o);
	public boolean containsAll(Collection<?> c);
	public Object remove(Object o);
	public void removeAll(Collection<?> c);
	public void retainAll(Collection<?> c);
...
}

Οι σχεδιαστές της γλώσσας θα έπρεπε να είναι πιο αυστηροί κατά τη σχεδίαση αυτών των μεθόδων και να τις είχαν ορίσει ως:

public interface Collection<E> {
...
	public boolean contains(E o);
	public boolean containsAll(Collection<? extends E> c);
	public Object remove(E o);
	public void removeAll(Collection<? extends E> c);
	public void retainAll(Collection<? extends E> c);
...
}

αλλά δεν το έπραξαν λόγω της προς τα πίσω συμβατότητας.

Περίληψη

Οι γενικευμένοι τύποι εισήχθηκαν στη γλώσσα για να εμφανιστούν τυχόν λάθη νωρίτερα (κατά τη διάρκεια της μεταγλώττισης αντί κατά τη φάση της εκτέλεσης των προγραμμάτων). Επίσης, βοηθούν στο να εξαφανιστούν οι μετατροπές τύπων (casts).

Συμπερασματικά, χρησιμοποιείτε πάντα τους γενικευμένους τύπους (generic types) και αποφύγετε τη χρήση των πρωτογενών συλλογών (π.χ. List, Set κλπ.). Οι πρωτογενείς συλλογές μπορούν να εμφανίσουν εξαιρέσεις κατά την εκτέλεση του προγράμματος. Ο γενικευμένος τύπος List<Object> μπορεί ν’ αποθηκεύσει δεδομένα οποιουδήποτε τύπου (προτιμήστε τον από τον πρωτογενή τύπο List) ενώ ο γενικευμένος τύπος List<?> αναπαριστά μια λίστα που μπορεί ν’ αποθηκεύσει αντικείμενα ενός άγνωστου τύπου δεδομένων.

Ασκήσεις

1) Να γράψετε μια κλάση StringIterable implements Iterable<Character> η οποία επιστρέφει τους χαρακτήρες ενός αλφαριθμητικού, π.χ.

for (Character character : new StringIterable("abc")) {
	System.out.print(character + ", ");
}

2) Στο τελευταίο βίντεο του μαθήματος είδαμε μια υλοποίηση της Stack με χρήση της Deque. Δοκιμάστε την κλάση Stack δημιουργώντας ένα νέο αντικείμενο της κλάσης μεγέθους 3 και προσθέστε τρία αντικείμενα σ’ αυτή. Τι συμβαίνει όταν γεμίσει η στοίβα; Προσπαθήστε να προσθέσετε ακόμα ένα αντικείμενο. Ποια η συμπεριφορά της στοίβας; Τι επιστρέφει η μέθοδος isFull(); Εξάγετε όλα τ’ αντικείμενα που εισάγατε και ακόμα ένα. Τι επιστρέφει η στοίβα; Ελέγξτε τι επιστρέφει η isEmpty(). Τι θα συμβεί αν εισάγετε τιμή null στη στοίβα;

3) Πώς θα μπορούσατε να ‘χακάρετε’ την κλάση Stack; Π.χ. μπορείτε να δημιουργήσετε μια στοίβα Stack<Integer> που να γεμίσει τη μνήμη του υπολογιστή (να μη δουλέψει δηλ. η isFull()); Αφού βρείτε το bug, πώς μπορείτε να το διορθώσετε;

4) Υλοποιήστε την άσκηση 2 του μαθήματος 2.1 χρησιμοποιώντας μια λίστα για ν’ αποθηκεύσετε τους μαθητές. Η κλάση SchoolClass<Student> θα διαθέτει τις εξής μεθόδους: εισαγωγή μαθητή, εμφάνιση πληροφοριών μαθητή με βάση τον ΑΜ, αναζήτηση μαθητή με βάση το επώνυμό του, ενημέρωση πληροφοριών μαθητή, διαγραφή μαθητή, εμφάνιση της λίστας των μαθητών ταξινομημένη κατά ΑΜ και κατά επώνυμο.

5) Τροποποιήστε την κλάση SchoolClass της προηγούμενης άσκησης ώστε να ικανοποιεί τις απαιτήσεις της άσκησης 2 του μαθήματος 2.4. Στην τάξη θα μπορούν να διδάσκουν και ένας ή περισσότεροι καθηγητές. Πώς θα τροποποιήσετε την κλάση SchoolClass ώστε να μπορεί ν’ αποθηκεύει και καθηγητές; Τι αλλαγές θα πρέπει να κάνετε στο γενικευμένο τύπο της κλάσης ώστε να δέχεται και αντικείμενα τύπου Teacher;

Πηγές

Kabutz H. (2017), “Collections.checkedCollection()”, Java Specialists Newsletter Issue 251

3.3 Γενικευμένοι Τύποι (Generics) {#Java}

My books

3.3 Γενικευμένοι Τύποι (Generics)

Boxing, unboxing, autoboxing

Υπο- και υπερ-γενικευμένοι τύποι

Γενικευμένες κλάσεις και μέθοδοι

Σύγκριση Λίστας με Πίνακα

Οι διεπαφές `Collection<E>, List<E>, Iterable<E>`

Περίληψη

Ασκήσεις

Πηγές

3.3 Γενικευμένοι Τύποι (Generics)

Boxing, unboxing, autoboxing

Υπο- και υπερ-γενικευμένοι τύποι

Γενικευμένες κλάσεις και μέθοδοι

Σύγκριση Λίστας με Πίνακα

Οι διεπαφές Collection<E>, List<E>, Iterable<E>

Περίληψη

Ασκήσεις

Πηγές

Οι διεπαφές `Collection<E>, List<E>, Iterable<E>`