Java 泛型可以用值而不是类型来参数化吗？

Question

假设我想定义结构相似但参数不同的类型，该参数可以是整数，也可以是其他类型。

是否可以在 Java 中定义一个由整数甚至任意对象参数化的 classes 族？

考虑以下伪代码（无法编译）：

/** 
 * String of a certain length n and a method to reduce to length n-1 
 */
public class StringN<int n> {
    private String str;
    public StringN( String str) {
        if(str.length() != n) {
            throw new IllegalArgumentException("string is not of required length!");
        }
        this.str = str;
    }

    public StringN<n-1> reduce() {
        return new StringN<n-1>(s.substring(0, s.length() - 1));
    }

    @Override
    public String toString() {
        return str;
    }
}

我想到的其他更自然的例子是数学中的张量积，所以如果想定义例如space R^n 作为 Java class 或在函数式编程中 'arity' 的 Function<>-space。那么如何定义一个由 n 参数化的具有不同 arity 的 classes 族？

如果这在 Java 中是不可能的，这个概念是否存在于其他功能性更强的语言中？它的正确名称是什么？（比如 'parameterized class'？）

编辑：作为对评论的反应，最后一部分只是知道这样一个概念的通用名称，而不是绕道其他语言。

Answer 1

顾名思义，“类型参数”是一个类型。不是 'a length of a string'.

具体来说：可以想象fixed length string类型的概念，可以想象这个概念有一个参数，其类型是int；一个人可能有 FixedString<5> myID = "HELLO"; 并且会编译，但是 FixedString<5> myID = "GOODBYE"; 会是一个错误，希望是编译时错误。

Java 不支持这个概念。如果那是你要找的东西，那就把它拼凑起来；您当然可以使用代码使其工作，但这意味着所有错误和检查都发生在运行时，编译时不会发生任何特殊情况。

相反，泛型赋予类型参数化自身的能力，但仅具有类型。如果你想传达 'A List... but not just any list, nono, a list that stores Strings' 的概念——你可以做到，这就是泛型的用途。该概念仅适用于类型而不适用于其他任何东西（例如长度）。

此外，javac 将负责应用参数。所以你不能通过制作一些人造层次结构来将它组合在一起，例如：

public interface ListSize {}
public interface ListIsSizeOne implements ListSize {}
public interface ListIsSizeTwo implements ListSize {}
public interface ListIsSizeThree implements ListSize {}

然后有一个 FixedSizeList<T extends ListSize> 以便有人可以声明：FixedSizeList<ListIsSizeTwo> list = List.of(a, b);.

不能工作的原因是：你不能告诉 javac 做什么，它不是一个可插入的系统。 Java 'knows' 如何应用类型界限。它不知道如何执行大小限制，所以你不能这样做。

Answer 2

你的问题很有趣，但我认为你过于假设满足你需求的解决方案必然是参数化的 class。

参数化 class 是 数据类型 的组合，而不是值。

由于您不需要编译对您的代码强制执行任何额外的静态类型检查，我认为编程解决方案就足够了：

第一步：将伪参数“int n”移动到最终变量：

public class StringN {

    private final int n;

    private String str;

    public StringN( String str) {
        if(str.length() != n) {
            throw new IllegalArgumentException("string is not of required length!");
        }
        this.str = str;
    }

    public StringN reduce() {
        return new StringN(s.substring(0, s.length() - 1));
    }

    @Override
    public String toString() {
        return str;
    }
}

当然，这个还没有编译通过。您必须在每个构造函数（声明和调用）上初始化 n 变量。
如果您对将参数 n 作为 public 构造函数调用的一部分公开这一事实感到不舒服，可以通过限制构造函数访问包来解决这个问题，并且将构造责任交给新的 Factory class，这必须是创建 StringN 对象的唯一 public 方法。

public StringNFactory
{
    private final int n;

    public StringNFactory(int n)
    {
        this.n=n;
    }

    public StringN create(String s)
    {
        return new StringN(this.n, s);
    }
}

Answer 3

唉，Java要求类型参数是类型（实际上，它甚至要求它们是引用类型），而且由于所有整数都是相同类型, 你不能让编译器根据整数的值来区分泛型。

通常的解决方法是为每个可能的（或需要的）值声明一个单独的类型。要共享结构，可以使用抽象基 class。如果基础 class 需要任何具体类型，subclasses 可以将它们作为类型参数传递：

abstract class StringN<S extends StringN<S,P>, P extends StringN<P,?>>
        implements Comparable<S> {
    
    final String value;
    
    protected StringN(String value, int n) {
        if (value.length() != n) {
            throw new IllegalArgumentException(value);
        }
        this.value = value;
    }
    
    @Override
    public int compareTo(S o) {
        return value.compareTo(o.value);
    }
    
    abstract P newP(String value);
    
    public P removeLast() {
        return newP(value.substring(0, value.length() - 1));
    }
}

class String0 extends StringN<String0, String0> {

    protected String0(String value) {
        super(value, 0);
    }

    @Override
    String0 newP(String value) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

class String1 extends StringN<String1, String0> {

    protected String1(String value) {
        super(value, 1);
    }

    @Override
    String0 newP(String value) {
        return new String0(value);
    }
}

class String2 extends StringN<String2, String1> {
    protected String2(String value) {
        super(value, 2);
    }

    @Override
    String1 newP(String value) {
        return new String1(value);
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        String2 s2 = new String2("hi");
        String1 s1 = s2.removeLast();
        s1.compareTo(s2); // compilation error: The method compareTo(String1) is not applicable for the arguments (String2)
    }   
}

如您所见，只要值集是有限的并且预先已知，您甚至可以教编译器计数:-)

然而，它变得相当笨拙且难以理解，这就是为什么很少使用此类解决方法的原因。

Answer 4

我自己在回答这个问题，因为有用的信息分布在几个 comments/answers 上。我将其设为社区维基答案，这样我就不会因他人的建议而声名狼藉。

我正在寻找的功能显然是所谓的 dependent-typing 的特例（感谢@DylanSp）。 C++ 的模板参数（参数不是类型）也是此类功能的一个示例（感谢@Turing85）。不幸的是，所有答案都同意 Java 中不存在此功能，也不存在 Java 泛型的语法中（@rzwitserloot 和其他人指出 Java 规范仅允许菱形 <>)，也不是任何其他语法。

当然可以在 Java 中为每个特定的 n 手动定义类型。因此，对于我问题中的示例，可以定义 classes String1、String2、String3、...，但只能定义有限多个。为了使每个特定类型的定义尽可能简单，可以使用一种方法，其抽象基础 class 由所有这些 classes 共享，请参阅@meriton 的好建议。

不是我想的，但在有限的许多情况下，代码生成器（@Hulk 提到）也应该是一个选项。如果我理解正确的话，这也是@MC Emperor 在提到注释时想到的。

然而，如果真的想坚持无限多个 classes（这就是我想要的），唯一的出路似乎是，让计数器 n 成为单个 class 并认为它们是不同的类型。在编译器级别，不会进行任何类型检查，因此必须自己实现类型安全。 @Little Santi 对工厂提出的建议将是一种将更多结构引入这种方法的方法。

Java 泛型可以用值而不是类型来参数化吗？

Can Java generics be parameterized with values instead of types?

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generics

functional-programming

dependent-type

non-type-template-parameter