7.4.2 Generics en subtyping

Stel we hebben klassen Animal, Mammal, Cat, Dog, en Bird met volgende overervingsrelatie:

class Animal { /* ... */ }
class Mammal extends Animal { /* ... */ }
class Cat extends Mammal { /* ... */ }
class Dog extends Mammal { /* ... */ }
class Bird extends Animal { /* ... */ }

graph BT
Cat --> Mammal
Dog --> Mammal
Mammal --> Animal
Bird --> Animal

Een van de basisregels van object-georiënteerd programmeren is dat overal waar een object van type X verwacht wordt, ook een object van een subtype van X toegelaten wordt. De Java compiler respecteert deze regel uiteraard. Volgende toekenningen zijn bijvoorbeeld toegelaten:

Animal animal = new Cat();
Mammal mammal = new Dog();
animal = new Bird();

maar mammal = new Bird(); is bijvoorbeeld niet toegelaten, want Bird is geen subtype van Mammal.

In onderstaande code is de eerste oproep toegelaten (cat heeft type Cat, en dat is een subtype van Mammal), maar de tweede niet (cat is geen Dog) en de derde ook niet (Cat is geen subtype van Bird):

static void pet(Mammal mammal) { /* ... */ }
static void bark(Dog dog) { /* ... */ }
static void layEgg(Bird bird) { /* ... */ }

Cat cat = new Cat();
pet(cat);    // <- toegelaten (voldoet aan principe)
bark(cat);   // <- niet toegelaten (compiler error) 👍
layEgg(cat); // <- niet toegelaten (compiler error) 👍

Subtyping en generische lijsten

Een lijst in Java is een geordende groep van elementen van hetzelfde type. List<E> is de interface¹ die aan de basis ligt van alle lijsten. ArrayList<E> is een klasse die een lijst implementeert met behulp van een array. ArrayList<E> is een subtype van List<E>; dus overal waar een List-object verwacht wordt, mag ook een ArrayList gebruikt worden. In het hoofdstuk rond Collections zagen we ook dat er een interface Collection<E> bestaat, wat een willekeurige groep van elementen voorstelt: niet enkel een lijst, maar bijvoorbeeld ook verzamelingen (Set) of wachtrijen (Queue). List<E> is een subtype van Collection<E>. Bijgevolg (via transitiviteit) is ArrayList<E> dus ook subtype van Collection<E>.

In code ziet deze situatie er als volgt uit:

interface Collection<E> {
  public void add(E element);
  public int size();
  /* ... */
}

interface List<E> extends Collection<E> {
  public E get(int index);
  /* ... */
}

class ArrayList<E> implements List<E> {
  private E[] elements;
  /* ... */
}

interface Set<E> extends Collection<E> { /* ... */ }
interface Queue<E> extends Collection<E> { /* ... */ }

graph BT
Y1["Set#lt;E>"] --> Z0
X0["ArrayList#lt;E>"] --> Y0["List#lt;E>"] --> Z0["Collection#lt;E>"]
Y2["Queue#lt;E>"] --> Z0
style Y1 fill:#eee,stroke:#aaa,color:#888
style Y2 fill:#eee,stroke:#aaa,color:#888

List<Cat> cats = new ArrayList<Cat>();
Collection<Dog> dogs = new ArrayList<Dog>();
List<Animal> animals = new ArrayList<Animal>();

Collection<Dog> dogs = new ArrayList<Cat>(); // compileert niet 👍

graph BT
X1["ArrayList#lt;Cat>"] --> Y1["List#lt;Cat>"] --> Z1["Collection#lt;Cat>"]
X2["ArrayList#lt;Dog>"] --> Y2["List#lt;Dog>"] --> Z2["Collection#lt;Dog>"]
X3["ArrayList#lt;Animal>"] --> Y3["List#lt;Animal>"] --> Z3["Collection#lt;Animal>"]

Het lijkt intuïtief misschien logisch dat ArrayList<Cat> ook een subtype moet zijn van ArrayList<Animal>. Een lijst van katten lijkt tenslotte toch een speciaal geval te zijn van een lijst van dieren? Maar dat is niet het geval.

ArrayList<Animal> = new ArrayList<Cat>(); // compileert niet

graph BT
id1(Niet correct)
style id1 fill:#f99,stroke:#600,stroke-width:4px
X0["ArrayList#lt;Cat>"] -- #times; --> Y0["ArrayList#lt;Animal>"]

Waarom niet? Stel dat ArrayList<Cat> toch een subtype zou zijn van ArrayList<Animal>. Dan zou volgende code ook geldig zijn:

ArrayList<Cat> cats = new ArrayList<Cat>();
ArrayList<Animal> animals = cats; // <- dit zou geldig zijn (maar is het niet!)
Dog dog = new Dog();
animals.add(dog); // <- OOPS: er zit nu een hond in de lijst van katten 🙁

Je zou dus honden kunnen toevoegen aan je lijst van katten zonder dat de compiler je waarschuwt, en dat is niet gewenst. Om die reden beschouwt Java ArrayList<Cat> dus niet als subtype van ArrayList<Animal>, ondanks dat Cat wél een subtype van Animal is.

Later zullen we zien hoe we hier met wildcards in sommige gevallen wel flexibeler mee kunnen omgaan.

Overerven van een generisch type

Hierboven gebruikten we vooral ArrayList als voorbeeld van een generische klasse. We hebben echter ook gezien dat je zelf generische klassen kan definiëren, en daarvan kan je uiteraard ook overerven.

Bij de definitie van een subklasse moet je voor de generische parameter van de superklasse een waarde (type) meegeven. Je kan ervoor kiezen om je subklasse zelf generisch te maken (door opnieuw een generische parameter te introduceren), of om een vooraf bepaald type mee te geven. Bijvoorbeeld:

class Super<T> { ... }

class SubForAnimal<A extends Animal> extends Super<A> { ... }

class SubForCat extends SubForAnimal<Cat> { ... }

De superklasse Super heeft een generische parameter T.

De subklasse SubForAnimal definieert zelf een generische parameter A (hier met begrenzing), en gebruikt parameter A als type voor T uit de superklasse.

De klasse SubForCat tenslotte definieert zelf geen nieuwe generische parameter, maar geeft het type Cat op als type voor parameter A uit diens superklasse.