Scala 系列（十二）—— 類型參數

  • 2019 年 10 月 3 日
  • 筆記

一、泛型

Scala 支援類型參數化，使得我們能夠編寫泛型程式。

1.1 泛型類

Java 中使用 <> 符號來包含定義的類型參數，Scala 則使用 []。

class Pair[T, S](val first: T, val second: S) {    override def toString: String = first + ":" + second  }
object ScalaApp extends App {      // 使用時候你直接指定參數類型，也可以不指定，由程式自動推斷    val pair01 = new Pair("heibai01", 22)    val pair02 = new Pair[String,Int]("heibai02", 33)      println(pair01)    println(pair02)  }

1.2 泛型方法

函數和方法也支援類型參數。

object Utils {    def getHalf[T](a: Array[T]): Int = a.length / 2  }

二、類型限定

2.1 類型上界限定

Scala 和 Java 一樣，對於對象之間進行大小比較，要求被比較的對象實現 java.lang.Comparable 介面。所以如果想對泛型進行比較，需要限定類型上界為 java.lang.Comparable，語法為 S <: T，代表類型 S 是類型 T 的子類或其本身。示例如下：

// 使用 <: 符號，限定 T 必須是 Comparable[T]的子類型  class Pair[T <: Comparable[T]](val first: T, val second: T) {    // 返回較小的值    def smaller: T = if (first.compareTo(second) < 0) first else second  }
// 測試程式碼  val pair = new Pair("abc", "abcd")  println(pair.smaller) // 輸出 abc

擴展：如果你想要在 Java 中實現類型變數限定，需要使用關鍵字 extends 來實現，等價的 Java 程式碼如下：

public class Pair<T extends Comparable<T>> {     private T first;     private T second;     Pair(T first, T second) {         this.first = first;         this.second = second;     }     public T smaller() {         return first.compareTo(second) < 0 ? first : second;      }  }

2.2 視圖界定

在上面的例子中，如果你使用 Int 類型或者 Double 等類型進行測試，點擊運行後，你會發現程式根本無法通過編譯：

val pair1 = new Pair(10, 12)  val pair2 = new Pair(10.0, 12.0)

之所以出現這樣的問題，是因為 Scala 中的 Int 類並沒有實現 Comparable 介面。在 Scala 中直接繼承 Comparable 介面的是特質 Ordered，它在繼承 compareTo 方法的基礎上，額外定義了關係符方法，源碼如下:

// 除了 compareTo 方法外，還提供了額外的關係符方法  trait Ordered[A] extends Any with java.lang.Comparable[A] {    def compare(that: A): Int    def <  (that: A): Boolean = (this compare that) <  0    def >  (that: A): Boolean = (this compare that) >  0    def <= (that: A): Boolean = (this compare that) <= 0    def >= (that: A): Boolean = (this compare that) >= 0    def compareTo(that: A): Int = compare(that)  }

之所以在日常的編程中之所以你能夠執行 3>2 這樣的判斷操作，是因為程式執行了定義在 Predef 中的隱式轉換方法 intWrapper(x: Int)，將 Int 類型轉換為 RichInt 類型，而 RichInt 間接混入了 Ordered 特質，所以能夠進行比較。

// Predef.scala  @inline implicit def intWrapper(x: Int)   = new runtime.RichInt(x)

要想解決傳入數值無法進行比較的問題，可以使用視圖界定。語法為 T <% U，代表 T 能夠通過隱式轉換轉為 U，即允許 Int 型參數在無法進行比較的時候轉換為 RichInt 類型。示例如下：

// 視圖界定符號 <%  class Pair[T <% Comparable[T]](val first: T, val second: T) {    // 返回較小的值    def smaller: T = if (first.compareTo(second) < 0) first else second  }

註：由於直接繼承 Java 中 Comparable 介面的是特質 Ordered，所以如下的視圖界定和上面是等效的：

// 隱式轉換為 Ordered[T]     class Pair[T <% Ordered[T]](val first: T, val second: T) {  def smaller: T = if (first.compareTo(second) < 0) first else second     }

2.3 類型約束

如果你用的 Scala 是 2.11+，會發現視圖界定已被標識為廢棄。官方推薦使用類型約束 (type constraint) 來實現同樣的功能，其本質是使用隱式參數進行隱式轉換，示例如下：

 // 1.使用隱式參數隱式轉換為 Comparable[T]  class Pair[T](val first: T, val second: T)(implicit ev: T => Comparable[T])    def smaller: T = if (first.compareTo(second) < 0) first else second  }    // 2.由於直接繼承 Java 中 Comparable 介面的是特質 Ordered，所以也可以隱式轉換為 Ordered[T]  class Pair[T](val first: T, val second: T)(implicit ev: T => Ordered[T]) {    def smaller: T = if (first.compareTo(second) < 0) first else second  }

當然，隱式參數轉換也可以運用在具體的方法上：

object PairUtils{    def smaller[T](a: T, b: T)(implicit order: T => Ordered[T]) = if (a < b) a else b  }

2.4 上下文界定

上下文界定的形式為 T:M，其中 M 是一個泛型，它要求必須存在一個類型為 M[T]的隱式值，當你聲明一個帶隱式參數的方法時，需要定義一個隱式默認值。所以上面的程式也可以使用上下文界定進行改寫：

class Pair[T](val first: T, val second: T) {    // 請注意 這個地方用的是 Ordering[T]，而上面視圖界定和類型約束，用的是 Ordered[T]，兩者的區別會在後文給出解釋    def smaller(implicit ord: Ordering[T]): T = if (ord.compare(first, second) < 0) first else second  }    // 測試  val pair= new Pair(88, 66)  println(pair.smaller)  //輸出：66

在上面的示例中，我們無需手動添加隱式默認值就可以完成轉換，這是因為 Scala 自動引入了 Ordering[Int]這個隱式值。為了更好的說明上下文界定，下面給出一個自定義類型的比較示例：

// 1.定義一個人員類  class Person(val name: String, val age: Int) {    override def toString: String = name + ":" + age  }    // 2.繼承 Ordering[T],實現自定義比較器,按照自己的規則重寫比較方法  class PersonOrdering extends Ordering[Person] {    override def compare(x: Person, y: Person): Int = if (x.age > y.age) 1 else -1  }    class Pair[T](val first: T, val second: T) {    def smaller(implicit ord: Ordering[T]): T = if (ord.compare(first, second) < 0) first else second  }      object ScalaApp extends App {      val pair = new Pair(new Person("hei", 88), new Person("bai", 66))    // 3.定義隱式默認值,如果不定義,則下一行程式碼無法通過編譯    implicit val ImpPersonOrdering = new PersonOrdering    println(pair.smaller) //輸出： bai:66  }

2.5 ClassTag上下文界定

這裡先看一個例子：下面這段程式碼，沒有任何語法錯誤，但是在運行時會拋出異常：Error: cannot find class tag for element type T, 這是由於 Scala 和 Java 一樣，都存在類型擦除，即泛型資訊只存在於程式碼編譯階段，在進入 JVM 之前，與泛型相關的資訊會被擦除掉。對於下面的程式碼，在運行階段創建 Array 時，你必須明確指明其類型，但是此時泛型資訊已經被擦除，導致出現找不到類型的異常。

object ScalaApp extends App {    def makePair[T](first: T, second: T) = {      // 創建以一個數組 並賦值      val r = new Array[T](2); r(0) = first; r(1) = second; r    }  }

Scala 針對這個問題，提供了 ClassTag 上下文界定，即把泛型的資訊存儲在 ClassTag 中，這樣在運行階段需要時，只需要從 ClassTag 中進行獲取即可。其語法為 T : ClassTag，示例如下：

import scala.reflect._  object ScalaApp extends App {    def makePair[T : ClassTag](first: T, second: T) = {      val r = new Array[T](2); r(0) = first; r(1) = second; r    }  }

2.6 類型下界限定

2.1 小節介紹了類型上界的限定，Scala 同時也支援下界的限定，語法為：U >: T，即 U 必須是類型 T 的超類或本身。

// 首席執行官  class CEO    // 部門經理  class Manager extends CEO    // 本公司普通員工  class Employee extends Manager    // 其他公司人員  class OtherCompany    object ScalaApp extends App {      // 限定：只有本公司部門經理以上人員才能獲取許可權    def Check[T >: Manager](t: T): T = {      println("獲得審核許可權")      t    }      // 錯誤寫法: 省略泛型參數後,以下所有人都能獲得許可權,顯然這是不正確的    Check(new CEO)    Check(new Manager)    Check(new Employee)    Check(new OtherCompany)        // 正確寫法,傳入泛型參數    Check[CEO](new CEO)    Check[Manager](new Manager)    /*     * 以下兩條語句無法通過編譯,異常資訊為:     * do not conform to method Check's type parameter bounds(不符合方法 Check 的類型參數邊界)     * 這種情況就完成了下界限制，即只有本公司經理及以上的人員才能獲得審核許可權     */    Check[Employee](new Employee)    Check[OtherCompany](new OtherCompany)  }

2.7 多重界定

  • 類型變數可以同時有上界和下界。 寫法為 ：T > : Lower <: Upper；

  • 不能同時有多個上界或多個下界 。但可以要求一個類型實現多個特質，寫法為 :

    T < : Comparable[T] with Serializable with Cloneable；

  • 你可以有多個上下文界定，寫法為 T : Ordering : ClassTag 。

三、Ordering & Ordered

上文中使用到 Ordering 和 Ordered 特質，它們最主要的區別在於分別繼承自不同的 Java 介面：Comparable 和 Comparator：

  • Comparable：可以理解為內置的比較器，實現此介面的對象可以與自身進行比較；
  • Comparator：可以理解為外置的比較器；當對象自身並沒有定義比較規則的時候，可以傳入外部比較器進行比較。

為什麼 Java 中要同時給出這兩個比較介面，這是因為你要比較的對象不一定實現了 Comparable 介面，而你又想對其進行比較，這時候當然你可以修改程式碼實現 Comparable，但是如果這個類你無法修改 (如源碼中的類)，這時候就可以使用外置的比較器。同樣的問題在 Scala 中當然也會出現，所以 Scala 分別使用了 Ordering 和 Ordered 來繼承它們。

下面分別給出 Java 中 Comparable 和 Comparator 介面的使用示例：

3.1 Comparable

import java.util.Arrays;  // 實現 Comparable 介面  public class Person implements Comparable<Person> {        private String name;      private int age;        Person(String name,int age) {this.name=name;this.age=age;}      @Override      public String toString() { return name+":"+age; }        // 核心的方法是重寫比較規則，按照年齡進行排序      @Override      public int compareTo(Person person) {          return this.age - person.age;      }        public static void main(String[] args) {          Person[] peoples= {new Person("hei", 66), new Person("bai", 55), new Person("ying", 77)};          Arrays.sort(peoples);          Arrays.stream(peoples).forEach(System.out::println);      }  }    輸出：  bai:55  hei:66  ying:77

3.2 Comparator

import java.util.Arrays;  import java.util.Comparator;    public class Person {        private String name;      private int age;        Person(String name,int age) {this.name=name;this.age=age;}      @Override      public String toString() { return name+":"+age; }        public static void main(String[] args) {          Person[] peoples= {new Person("hei", 66), new Person("bai", 55), new Person("ying", 77)};          // 這裡為了直觀直接使用匿名內部類,實現 Comparator 介面          //如果是 Java8 你也可以寫成 Arrays.sort(peoples, Comparator.comparingInt(o -> o.age));          Arrays.sort(peoples, new Comparator<Person>() {              @Override              public int compare(Person o1, Person o2) {                  return o1.age-o2.age;              }          });          Arrays.stream(peoples).forEach(System.out::println);      }  }

使用外置比較器還有一個好處，就是你可以隨時定義其排序規則：

// 按照年齡大小排序  Arrays.sort(peoples, Comparator.comparingInt(o -> o.age));  Arrays.stream(peoples).forEach(System.out::println);  // 按照名字長度倒序排列  Arrays.sort(peoples, Comparator.comparingInt(o -> -o.name.length()));  Arrays.stream(peoples).forEach(System.out::println);

3.3 上下文界定的優點

這裡再次給出上下文界定中的示例程式碼作為回顧：

// 1.定義一個人員類  class Person(val name: String, val age: Int) {    override def toString: String = name + ":" + age  }    // 2.繼承 Ordering[T],實現自定義比較器,這個比較器就是一個外置比較器  class PersonOrdering extends Ordering[Person] {    override def compare(x: Person, y: Person): Int = if (x.age > y.age) 1 else -1  }    class Pair[T](val first: T, val second: T) {    def smaller(implicit ord: Ordering[T]): T = if (ord.compare(first, second) < 0) first else second  }      object ScalaApp extends App {      val pair = new Pair(new Person("hei", 88), new Person("bai", 66))    // 3.在當前上下文定義隱式默認值,這就相當於傳入了外置比較器    implicit val ImpPersonOrdering = new PersonOrdering    println(pair.smaller) //輸出： bai:66  }

使用上下文界定和 Ordering 帶來的好處是：傳入 Pair 中的參數不一定需要可比較，只要在比較時傳入外置比較器即可。

需要注意的是由於隱式默認值二義性的限制，你不能像上面 Java 程式碼一樣，在同一個上下文作用域中傳入兩個外置比較器，即下面的程式碼是無法通過編譯的。但是你可以在不同的上下文作用域中引入不同的隱式默認值，即使用不同的外置比較器。

implicit val ImpPersonOrdering = new PersonOrdering  println(pair.smaller)  implicit val ImpPersonOrdering2 = new PersonOrdering  println(pair.smaller)

四、通配符

在實際編碼中，通常需要把泛型限定在某個範圍內，比如限定為某個類及其子類。因此 Scala 和 Java 一樣引入了通配符這個概念，用於限定泛型的範圍。不同的是 Java 使用 ? 表示通配符，Scala 使用 _ 表示通配符。

class Ceo(val name: String) {    override def toString: String = name  }    class Manager(name: String) extends Ceo(name)    class Employee(name: String) extends Manager(name)    class Pair[T](val first: T, val second: T) {    override def toString: String = "first:" + first + ", second: " + second  }    object ScalaApp extends App {    // 限定部門經理及以下的人才可以組隊    def makePair(p: Pair[_ <: Manager]): Unit = {println(p)}    makePair(new Pair(new Employee("heibai"), new Manager("ying")))  }

目前 Scala 中的通配符在某些複雜情況下還不完善，如下面的語句在 Scala 2.12 中並不能通過編譯：

def min[T <: Comparable[_ >: T]](p: Pair[T]) ={}

可以使用以下語法代替：

type SuperComparable[T] = Comparable[_ >: T]  def min[T <: SuperComparable[T]](p: Pair[T]) = {}

參考資料

  1. Martin Odersky . Scala 編程 (第 3 版)[M] . 電子工業出版社 . 2018-1-1
  2. 凱.S.霍斯特曼 . 快學 Scala(第 2 版)[M] . 電子工業出版社 . 2017-7

更多大數據系列文章可以參見 GitHub 開源項目： 大數據入門指南

VirMach 便宜 VPS

QNews

QNews