Введение в программирование

Полиморфизм и Generics

https://kgeorgiy.info/courses/prog-intro/

Полиморфизм

Содержание

Полиморфизм
Введение в Generics
Как писать Generic-код
Generics и вариантность
Реализация
Дополнительные возможности
Заключение

Полиморфизм

Один код, разные типы
Специальный (ad-hoc)
- Для каждого типа свое поведение
- Времени компиляции
- Времени исполнения
Универсальный
- Одинаковое поведение для всех типов

Пример полиморфизма (1)

Операция сложения (+)
- ```
1 + 1
```
- ```
1.0 + 1.0
```
- ```
1.0 + 1
```
Перегрузка по обоим параметрам
Перегрузка для разных типов и автоматизированное приведение типов
Тип полиморфизма?
- Специальный полиморфизм времени компиляции

Пример полиморфизма (2)

Функция String.format(string, object...)

```
String.format("%d", 10);
```
```
String.format("Hello, %s!", "world");
```

Перегрузка времени исполнения по всем параметрам, кроме первого и явная передача информации о типах
Тип полиморфизма?
- Специальный полиморфизм времени исполнения

Пример полиморфизма (3)

Определение типа во время исполнения

void draw(Shape shape) {
    if (shape instanceof Rect) …
    if (shape instanceof Circle) …
}

draw(shape) – перегрузка времени исполнения
Тип полиморфизма?
- Специальный полиморфизм времени исполнения

Пример полиморфизма (4)

Наследование в ООП

void drawWithColor(Shape shape, Color color) {
    shape.setColor(color);
    shape.draw();
}

drawWithColor
- Полиморфизм включения по первому параметру
- Универсальный полиморфизм
draw(this)
- Перегрузка времени исполнения по первому параметру
- Специальный полиморфизм времени исполнения

Пример полиморфизма (5)

Шаблоны в C++

template <typename T> 
bool contains(T x, T* a, int size) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        if (x == a[i]) {
            return true;
        }
    }
    return false;
}

Перегрузка по всем параметрам
Тип полиморфизма?
- Специальный полиморфизм времени компиляции

Пример полиморфизма (6)

Generics в Java

<T> boolean contains(T item, T[] array) {
    for (T value : array) {
        if (item.equals(value)) {
            return true;
        }
    }
    return false;
}

Параметрический полиморфизм по T
- Универсальный полиморфизм

Введение в Generics

Особенности Generics

Строгая типизация
Единая реализация
- Параметрический полиморфизм
Отсутствие информации о типе

Пример generic-определения

Интерфейс

interface Stack<E> {
    void push(E element);
    E pop();
    E peek();
    …
}

Класс

class ArrayStack<E> implements Stack<E> {
    ...
}

Generic стек

Stack<E> ─ стек элементов типа E

Раньше

Stack stack = new ArrayStack();
stack.push(1);
Integer i = (Integer) stack.pop();

Теперь

Stack<Integer> stack = new ArrayStack<Integer>();
stack.push(1);
Integer i = stack.pop();

Java 7+

Stack<Integer> stack = new ArrayStack<>();

Пример реализация generic-класса

class ArrayStack<E> implements Stack<E> {
    private E[] elements;
    private int size;
     
    public ArrayStack() {
        elements = (E[]) new Object[10];
    }
     
    public E peek() {
        return elements[size - 1];
    }
    …

Несовместимость generic-типов

Generic-типы не совместимы по присваиванию
```
Stack<Integer> si = new ArrayStack<>();
```
```
Stack<Object> so = si;
```

Почему?

Иначе — ошибки

so.push("hello");
// ClassCastException
Integer li = si.peek();

Как писать Generic-код

Содержание

Полиморфизм
Введение в Generics
Как писать Generic-код
Generics и вариантность
Реализация
Дополнительные возможности
Заключение

Проблема 1

Метод

void dump(Stack<Object> stack) {
    while (!stack.isEmpty()) {
        Object o = stack.pop();
        System.out.println(o);
    }
}

Вызовы

```
dump(new ArrayStack<Object>(…));
```
```
dump(new ArrayStack<Integer>(…));
```

Решение 1 – wildcard

Метод

void dump(Stack<?> stack) {
    while (!stack.isEmpty()) {
        Object o = stack.pop();
        System.out.println(o);
    }
}

Вызовы

```
dump(new ArrayStack<Object>(…));
```
```
dump(new ArrayStack<Integer>(…));
```

Проблема 2

Метод

void draw(Stack<Shape> stack) {
    while (!stack.isEmpty()) {
        Shape shape = stack.pop();
        shape.draw();
    }
}

Вызовы

```
draw(new ArrayStack<Shape>(…));
```
```
draw(new ArrayStack<Circle>(…));
```

Решение 2 – bounded wildcard

Метод

void draw(Stack<? extends Shape> stack) {
    while (!stack.isEmpty()) {
        Shape shape = stack.pop();
        shape.draw();
    }
}

Вызовы

```
draw(new ArrayStack<Shape>(…));
```
```
draw(new ArrayStack<Circle>(…));
```

Проблема 3

Метод

void pushAll(Object[] a, Stack<Object> stack) {
    for (int i = 0; i < a.length; i++) {
        stack.push(a[i]);
    }
}

Примеры использования

pushAll(new Object[10], new ArrayStack<Object>());

pushAll(new String[10], new ArrayStack<Object>());

pushAll(new String[10], new ArrayStack<String>());

pushAll(new Object[10], new ArrayStack<String>());

Решение 3 – generic-метод

Метод

<T> void pushAll(T[] a, Stack<T> c) {
    for (int i = 0; i < a.length; i++) {
        stack.push(a[i]);
    }
}

Примеры использования

pushAll(new Object[10], new ArrayStack<Object>());

pushAll(new String[10], new ArrayStack<Object>());

pushAll(new String[10], new ArrayStack<String>());

pushAll(new Object[10], new ArrayStack<String>());

Проблема 4

Метод

<T> void moveAll(Stack<T> s1, Stack<T> s2) {
    while (!s1.isEmpty()) {
        T o = s1.pop();
        s2.push(o);
    }
}

Примеры использования

moveAll(new AS<Integer>(…), new AS<Integer>());

moveAll(new AS<Integer>(…), new AS<Object>());

moveAll(new AS<Object>(…), new AS<Integer>());

Решение 4 – bounded type argument

Метод

<T, S extends T>
void moveAll(Stack<S> s1, Stack<T> s2) {
    while (!s1.isEmpty()) {
        s2.push(s1.pop());
    }
}

Примеры использования

moveAll(new AS<Integer>(…), new AS<Integer>());

moveAll(new AS<Integer>(…), new AS<Object>());

moveAll(new AS<Object>(…), new AS<Integer>());

Решение 4 – bounded wildcard

Метод

<T> void
moveAll(Stack<? extends T> s1, Stack<T> s2) {
    while (!s1.isEmpty()) {
        s2.push(s1.pop());
    }
}

Примеры использования

moveAll(new AS<Integer>(…), new AS<Integer>());

moveAll(new AS<Integer>(…), new AS<Object>());

moveAll(new AS<Object>(…), new AS<Integer>());

Проблема 5

Метод

<T extends Comparable<T>>
T max(Stack<T> stack) {
    ...
}

Примеры использования

```
Integer i = max(new AS<Integer>(…));
```

class Test implements Comparable<Object> {…}

Test t = max(new AS<Test>(…));

Решение 5 – upper bounded wcard

Метод

<T extends Comparable<? super T>>
max(Stack<T> stack) {
    …
}

Примеры использования

```
Integer I = max(new AS<Integer>(…));
```

class Test implements Comparable<Object> {…}

Test t = max(new AS<Test>(…));

Проблема 6

/** Duplicates top element of the stack. */
// Часть интерфейса
void dup(Stack<?> stack) {
    // Как реализовать?
}

void dup(Stack<?> stack) {
    stack.push(stack.peek());
}

Решение 6 – wildcard capture

// Часть интерфейса
void dup(Stack<?> stack) {
    dupImpl(stack);
}
 
// Настоящая реализация
private <T> void dupImpl(Stack<T> stack) {
    stack.push(stack.peek());
}

Generics и вариантность

Содержание

Полиморфизм
Введение в Generics
Как писать Generic-код
Generics и вариантность
Реализация
Дополнительные возможности
Заключение

Источник

Источник данных
- ```
interface Reader<T> {
    T read();
}
```

Преобразования

Reader<Object> objR = ...
Reader<String> strR = objR;
String data = strR.read();

Reader<String> strR = ...
Reader<Object> objR = strR;
Object data = objR.read();

Ковариантность
- S ⁚> T ⇒ Reader<S> ⁚> Reader<T>

Приемник

Приемник данных

interface Writer<T> {
    write(T value);
}

Преобразования

Writer<Object> objW = ...
Writer<String> strW = objW;
strW.write(new String());

Writer<String> strW = ...
Writer<Object> objW = strW;
objW.write(new Object());

Контравариантность
- S ⁚> T ⇒ Writer<S> <⁚ Writer<T>

Источник и приемник

Источник и приемник
- ```
Stack<T>
```

Преобразования

Stack<Object> os = ...
Stack<String> ss = os;
ss.push(new Object());
String s = ss.pop();

Stack<String> ss = ...
Stack<Object> os = ss;
os.push(new Object());
Object os = os.pop();

Инвариантность
- S ⁚> T ⇒ Stack<S> не связан с Stack<T>

Вариантность

Ковариантность
- Согласованность с отношением включения
- S ⁚> T ⇒ G<S> ⁚> G<T>
- Только источник
Контрвариантность
- Антисогласованность с отношением включения
- S ⁚> T ⇒ G<S> <⁚ G<T>
- Только приемник
Инвариантность
- Независимость от отношения включения
- S ⁚> T ⇒ G<S> не связан с G<T>
- Источник и приемник

Правила

Только источник
- Ковариантность
- ? extends T
Только приемник
- Контрвариантность
- ? super T
Источник и приемник
- Инвариантный

Примеры

Только источник

Reader<String> strR = ...
Reader<? extends Object> objR = strR;
Object data = objR.read();

Только приемник

Writer<Object> objW = ...
Writer<? super String> strW = objW;
strW.write(new String());

Источник и приемник
- Нельзя

Вариантность функций

Функция

interface Function<T, R> {
     R apply(T argument);
}

Совместимость по присваиванию
- ```
Function<T1, R1> f1;
Function<T2, R2> f2 = f1;
```
- Function<T1, R1> <⁚ Function<T2, R2>
Что можно сказать о T1 ⁚? T2 и R1 ⁚? R2?
- T1 ⁚> T2 ─ контрвариантность аргумента
- R1 <⁚ R2 ─ ковариантность результата

Приведение типов для функций

Вариантность
- Контрвариантность аргумента
- Ковариантность результата

static <T, R> Function<T, R> cast(
    Function<? super T, ? extends R> f
) {
    return new Function<T, R>() {
        public R apply(T argument) {
            return f.apply(argument);
        }
    };
}

Реализация

Содержание

Полиморфизм
Введение в Generics
Как писать Generic-код
Generics и вариантность
Реализация
Дополнительные возможности
Заключение

Пример кода

List<String> list = new ArrayList<>(…);
String max = list.get(0);
for (int i = 1; i < list.size(); i++) {
    String next = list.get(i);
    if (next.compareTo(max) > 0) {
        max = next;
    }
}

Стирание информации о типах

List list = new ArrayList(…);
String max = (String) list.get(0);
for (int i = 1; i < list.size(); i++) {
    String next = (String) list.get(i);
    if (next.compareTo(max) > 0) {
        max = next;
    }
}

Generic – один класс

Stack<String> ss = new AS<String>();
Stack<Integer> si = new AS<Integer>();
ss.getClass() == si.getClass() // True

ss instanceof AS // True

ss instanceof AS<String> // Запрещено

Преобразование типов

Уничтожение информации о типе
- ```
Stack s = new ArrayStack<String>();
```

Добавление информации о типе

Stack<String> s = (Stack<String>) new ArrayStack();

```
Stack<String> s1 = new ArrayStack();
```

Unchecked warning
- Ответственность программиста
- ```
@SuppressWarnings("unchecked")
Stack<String> s1 = new ArrayStack();
```

Ограничения Generic

Невозможно создать массив параметра типа
- ```
Stack<T> s;
```
- ```
T[] elements; // Object[]
```
- ```
new T[10];
```

Невозможно создать массив Generic-классов

```
new ArrayStack<Stack<Integer>>();
```
```
Stack<?>[] stacks = new Stack<?>[10];
```
```
new Stack<Integer>[10];
```

Дополнительные возможности

Содержание

Полиморфизм
Введение в Generics
Как писать Generic-код
Generics и вариантность
Реализация
Дополнительные возможности
Заключение

Явное указание типов при вызове

Исходная функция
- ```
Function<Object, Integer> foi = …;
```

Преобразованная функция

Function<String, Number> fso = Function.cast(foi);

Function<String, Number> fso =
    Function.<String, Number>cast(foi);

Map

Stack<Number> ns = stack.map(Function.cast(foi));

Stack<Number> ns = stack.<Number>map(
    Function.<String, Number>cast(foi));

Stack<Number> ns = stack.map(
    Function.<String, Number>cast(foi));

Исключения

Объявление

interface Reader<T, E extends Exception> {
    T next() throws E;
    boolean hasNext() throws E;
}

Использование

<T, E  extends Exception> List<T>
readAll(Reader<T, E> reader) throws E {
    final List<T> result = new ArrayList<>();
    while (reader.hasNext()) {
        result.add(reader.next());
    }
    return result;
}

Несколько ограничений (1)

class StrangeExample<
    I,
    C extends Collection<I> & Comparable<? super C>
> {
    C coll;
     
    void add(I item) {
        coll.add(item);
    }
     
    int compare(C other) {
        return coll.compareTo(other);
    }
}

Наследование (1)

Опеределение

class ListBuilder<T> {
    private final List<T> list = new ArrayList<>();
    ListBuilder<T> add(T item) {
        list.add(item);
        return this;
    }
    List<T> build() { return list; }
}

Использование

List<String> hello = new ListBuilder<String>()
    .add("hello")
    .add("world")
    .build();

Наследование (2)

Опеределение

class AllBuilder<T> extends ListBuilder<T> {
    AllBuilder<T> addAll(Collection<T> items) {
        for (T item : items) {
            add(item);
        }
        return this;
    }
}

Использование

List<String> hello = new AllBuilder<String>()
    .add("hello")
    .addAll(List.of("world"))
    .build();

Ссылка на свой тип

Предок

class ListBuilder<B extends ListBuilder<B, T>, T> {
    B add(T item) { /* ... */ return self(); }
    B self() { return (B) this; }

Наследник

class AllBuilder<B extends AllBuilder<B, T>, T>
  extends ListBuilder<B, T> {
    B addAll(List<T> item) { /* ... */ return self(); }

Реализация

class ConcreteBuilder<T> extends
    AllBuilder<ConcreteBuilder<T>, T> {

Заключение

Содержание

Полиморфизм
Введение в Generics
Как писать Generic-код
Generics и вариантность
Реализация
Дополнительные возможности
Заключение

Ссылки

Java Tutorial. Generics // http://docs.oracle.com
/javase/tutorial/java/generics/
Generics in the Java Programming Language // http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/
generics-tutorial-159168.pdf
JSR 14 (Generics) //
http://jcp.org/en/jsr/detail?id=14

Вопросы

???