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泛型与 Java 8

泛型与 Java 8，Java 1.5 引入了泛型（generics）的概念。遗憾的是，大部分 Java 开发人员对于泛型的了解仅停留在完成工作所需的层面上。随着 Java 8 的兴起，Javadoc 中出现了不少使用泛型的方法签名。

泛型与 Java 8 – 背景

Java 1.5 引入了泛型（generics）的概念。遗憾的是，大部分 Java 开发人员对于泛型的了解仅停留在完成工作所需的层面上。随着 Java 8 的兴起，Javadoc 中出现了不少使用泛型的方法签名。以 java.util.Map.Entry 接口的 comparingByKey 方法为例：

static <K extends Comparable<? super K>,V> Comparator<Map.Entry<K,V>>
    comparingByKey()

以及 java.util.Comparator 接口的 comparing 方法：

static <T,U extends Comparable<? super U>> Comparator<T> comparing(
    Function<? super T,? extends U> keyExtractor)

甚至 java.util.stream.Collectors 类的 groupingBy 方法：

static <T,K,D,A,M extends Map<K, D>> Collector<T,?,M> groupingBy(
    Function<? super T,? extends K> classifier,  Supplier<M> mapFactory,
    Collector<? super T,A,D> downstream)

显然，对泛型仅有最低限度的了解是远远不够的。本附录旨在分析这些签名的结构，以帮助读者在开发中更有效地应用 API。

泛型与 Java 8 – 众所周知的事实

在使用 List 或 Set 这样的集合时，可以将元素的类名置于尖括号中，以声明所包含元素的类型：

List<String> strings = new ArrayList<String>();
Set<Employee> employees = new HashSet<Employee>();

通过在之后的示例代码中引入钻石运算符（diamond operator），Java 7 能在一定程度上简化语法。由于等号左侧的引用已经声明了集合以及所包含的类型（如 List<String> 或 List<Integer>），等号右侧的实例化无须再次声明。我们可以将其简写为 new ArrayList<>()，而不必将类型置于尖括号中。

声明集合的数据类型可以实现两个目的：

  • 能避免不慎将错误的类型置于集合中
  • 无须再将检索到的值强制转换为合适的类型

如例 A-1 所示，在声明 strings 变量之后，就只能向集合添加 String 实例，并在检索到某项时自动获得一个 String。

例 A-1　简单的泛型示例 

List<String> strings = new ArrayList<>();
strings.add("Hello");
strings.add("World");
// strings.add(new Date());    ➊
// Integer i = strings.get(0); ➊

for (String s : strings) {     ➋
    System.out.printf("%s has length %d%n", s, s.length());
}

❶ 无法编译
❷ for-each 循环了解所包含的数据类型为 String
对插入过程应用类型安全（type safety）很方便，但开发人员很少会犯这个错误。不过，如果不必首先强制转换就可以处理检索类型，能极大简化代码。1
1在整个职业生涯中，我从未不慎将错误的类型添加到列表中。不过即便只是考虑到糟糕的语法，去掉强制转换过程也是值得的。

另一个众所周知的事实是，无法为泛型集合添加基本数据类型（primitive type）。换言之，目前尚无法定义 List<int> 或 List<double>。2 幸运的是，Java 1.5 在引入泛型的同时也引入了自动装箱和拆箱。因此，如果希望在泛型类型（generic type）中储存基本数据类型，可以通过包装类（wrapper class）声明该类型，如例 A-2 所示。
2Java 10（Valhalla 项目）已提出将基本数据类型添加到集合中。

例 A-2　在泛型集合中使用基本数据类型 

List<Integer> ints = new ArrayList<>();
ints.add(3); ints.add(1); ints.add(4);
ints.add(1); ints.add(9); ints.add(2);
System.out.println(ints);

for (int i : ints) {
    System.out.println(i);
}

可以看到，Java 在插入时将 int 值包装在 Integer 实例中，并在检索时从 Integer 实例中取出这些值。尽管装箱和拆箱的效率有待商榷，但代码确实很容易编写。
此外，Java 开发人员耳熟能详的一点是，如果一个类使用了泛型，那么类型本身采用尖括号中的大写字母表示。例如，Javadoc 对 java.util.List 接口的描述如下：

public interface List<E> extends Collection<E>

其中 E 是类型参数（type parameter），且接口中的方法使用相同的类型参数。例 A-3 显示了 List 接口声明的部分方法。

例 A-3　List 接口声明的部分方法 

boolean add(E e)                           ➊
boolean addAll(Collection<? extends E> c)  ➋
void    clear()                            ➌
boolean contains(Object o)                 ➌
boolean containsAll(Collection<?> c)       ➍
E       get(int index)                     ➊

❶ 类型参数 E 用作参数或返回类型
❷ 有界通配符
❸ 与类型本身无关的方法
❹ 未知类型
可以看到，某些方法使用声明的泛型类型 E 作为参数或返回类型，某些方法（特别是 clear 和 contains）完全不使用类型，还有部分方法使用问号作为通配符。
请注意，在非泛型类中声明泛型方法是合法的。这种情况下，泛型参数被声明为方法签名的一部分。以工具类 java.util.Collections 为例，它定义了以下静态方法：

static <T>   List<T>    emptyList()
static <K,V> Map<K,V>   emptyMap()
static <T>   boolean    addAll(Collection<? super T> c, T... elements)
static <T extends Object & Comparable<? super T>>
    T min(Collection<? extends T> coll)

如上所示，emptyList、addAll、min 这三种方法声明了泛型参数 T。emptyList 方法通过 T 来指定 List 中包含的类型，而 emptyMap 方法在泛型映射中使用 K 和 V 来表示键的类与值的类。
addAll 方法声明了泛型类型 T，并使用 Collection<? super T> c 作为方法的第一个参数，T 类型的可变参数列表作为第二个参数。? super T 是一种有界通配符（bounded wildcard），稍后将对此做讨论。
从 min 方法可以看出泛型类型是如何提供安全性的，但其签名结构或许不那么一目了然。后面将详细讨论该方法的签名，目前不妨这样理解：T 是有界的，它既是 Object 的子类，又实现了 Comparable 接口，其中 Comparable 定义为 T 或 T 的任何父类。min 方法的参数与 T 或 T 的任何子类的 Collection 有关。
最后，通配符将众所周知的语法以我们不那么熟悉的形式表现出来。例如，某些语法看似继承，但实际上根本不是。

泛型与 Java 8 – 容易忽略的事实

许多开发人员或许惊讶于 ArrayList<String> 和 ArrayList<Object> 并无实质性的关联。如例 A-4 所示，可以将 Object 的子类添加到 Object 集合中。

例 A-4　List<Object> 的应用 

List<Object> objects = new ArrayList<Object>();
objects.add("Hello");
objects.add(LocalDate.now());
objects.add(3);
System.out.println(objects);

很好！由于 String 是 Object 的子类，可以将 String 引用赋给 Object 引用。读者可能认为，在声明字符串列表之后就能为其添加对象，但实际情况并非如此，如例 A-5 所示。

例 A-5　List<String> 与对象一起使用 

List<String> strings = new ArrayList<>();
String s = "abc";
Object o = s;                          ➊
// strings.add(o);                     ➋

// List<Object> moreObjects = strings; ➌
// moreObjects.add(new Date());
// String s = moreObjects.get(0);      ➍

❶ 合法
❷ 不合法
❸ 同样不合法，但假设其合法
❹ 损坏的集合
由于 String 是 Object 的子类，我们可以将 String 引用赋给 Object 引用，但无法将 Object 引用添加到 List<String>。这似乎有些奇怪，原因在于 List<String> 并非 List<Object> 的子类。在声明类型时，可以添加的唯一实例就是所声明的类型，使用子类或超类实例均不合法。换言之，参数化类型（parameterized type）具有不变性（invariance）。
在本例中，从注释掉的语句不难看出为何 List<String> 不是 List<Object> 的子类。假设可以将 List<String> 赋给 List<Object>，那么通过对象引用列表就能将非字符串的内容添加到列表中。这样一来，采用字符串列表的原始引用检索时会导致强制转换异常，编译器将无法判断转换是否有效。
不过，如果定义了一个数字列表，应该就可以为列表添加整数、浮点数与双精度浮点数。为此，我们需要在类型边界（type bound）中使用通配符。

泛型与 Java 8 – 通配符与PECS

通配符是一种使用问号（?）的类型参数，可能存在（也可能不存在）上界或下界。

无界通配符

没有边界的类型参数很有用，不过也存在一定局限性。如例 A-6 所示，对一个声明为无界类型的 List 而言，可以读取，但无法写入。

例 A-6　使用无界通配符的 List 

List<?> stuff = new ArrayList<>();
// stuff.add("abc");            ➊
// stuff.add(new Object());
// stuff.add(3);
int numElements = stuff.size(); ➋

❶ 不允许进行添加操作
❷ numElements 为 0
由于无法传入任何内容，上述代码的意义不大。不过，无界 List 的一种用途在于，所有传入 List<?> 作为参数的方法都会在调用时接受任何列表，如例 A-7 所示。

例 A-7　无界 List 作为方法参数 

private static void printList(List<?> list) {
    System.out.println(list);
}

public static void main(String[] args) {
    // 创建列表ints、strings与stuff
    printList(ints);
    printList(strings);
    printList(stuff);
}

读者或许还记得 List<E> 接口声明的 containsAll 方法（例 A-3）：

boolean containsAll(Collection<?> c)

只有当前列表包含指定集合的所有元素时，containsAll 方法才返回 true。由于方法参数使用的是无界通配符，实现仅限于以下两类方法：

  • Collection 接口定义的、不需要包含类型的方法
  • Object 类定义的方法

对于 containsAll 方法，上述条件完全符合。引用实现中的默认实现（AbstractCollection 类）通过 iterator 方法遍历参数，并调用 contains 方法检查其中的所有元素是否也在原始列表中。iterator 和 contains 方法定义在 Collection 接口中，而 equals 方法定义在 Object 类中。contains 实现委托给 Object 类的 equals 和 hashCode 方法，它们可能已经在包含的类型中被重写。就 containsAll 方法而言，它需要的所有方法都是可用的，因此无界通配符不会对该方法的使用造成影响。
问号是设置类型边界的利器，其用法相当多样化。

上界通配符

上界通配符（upper bounded wildcard）使用关键字 extends 来设置超类限制。例 A-8 定义了一个支持 int、long、double 甚至 BigDecimal 实例的数字列表。

即便采用接口（而不是类）作为上界，也可以使用关键字 extends，如 List<? extends Comparable>。
例 A-8　具有上界的 List 

List<? extends Number> numbers = new ArrayList<>();
//        numbers.add(3);                    ➊
//        numbers.add(3.14159);
//        numbers.add(new BigDecimal("3"));

➊ 仍然无法添加值
上述代码看似不错，不过虽然可以使用上界通配符定义列表，但仍然无法为列表添加值。原因在于检索值时，编译器并不清楚列表的类型，只知道它继承了 Number。
尽管如此，我们可以定义一个传入 List<? extends Number> 的方法参数，然后通过不同的列表类型调用方法，如例 A-9 所示。

例 A-9　上界的应用 

private static double sumList(List<? extends Number> list) {
    return list.stream()
               .mapToDouble(Number::doubleValue)
               .sum();
}

public static void main(String[] args) {
    List<Integer> ints = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
    List<Double> doubles = Arrays.asList(1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0);
    List<BigDecimal> bigDecimals = Arrays.asList(
        new BigDecimal("1.0"),
        new BigDecimal("2.0"),
        new BigDecimal("3.0"),
        new BigDecimal("4.0"),
        new BigDecimal("5.0")
    );

    System.out.printf("ints sum is         %s%n", sumList(ints));
    System.out.printf("doubles sum is      %s%n", sumList(doubles));
    System.out.printf("big decimals sum is %s%n", sumList(bigDecimals));
}

可以看到，使用相应的 double 值对 BigDecimal 实例求和，会抵消首先使用 BigDecimal 所带来的好处，但只有基本类型流 IntStream、LongStream 与 DoubleStream 包括 sum 方法。不过这也说明，可以使用 Number 的任何子类型（subtype）的列表来调用方法。由于 Number 定义了 doubleValue 方法，代码成功编译并运行。
从具有上界的列表中访问某个元素时，结果肯定可以被赋给上界类型的引用，如例 A-10 所示。

例 A-10　从上界引用中提取值 

private static double sumList(List<? extends Number> list) {
    Number num = list.get(0);
    // 其余代码与例A-9相同
}

调用方法时，列表元素要么是 Number，要么是它的某个子类，因此 Number 引用总是正确的。

下界通配符

下界通配符（lower bounded wildcard）表示类的任何父类均满足条件，关键字 super 和通配符用于指定下界。以 List<? super Number> 为例，引用既可以代表 List<Number>，也可以代表 List<Object>。
我们通过上界指定变量必须符合的类型，以便方法实现能正常工作。对数字求和时，需要确保变量有一个定义在 Number 中的 doubleValue 方法。通过直接或重写的形式，Number 的所有子类也会包含 doubleValue 方法，这就是将输入类型指定为 List<? extends Number> 的原因。
而在下界通配符中，我们从列表中取出项目，并添加到不同的集合。目标集合既可以是 List<Number>，也可以是 List<Object>，因为单个 Object 引用可以被赋给一个 Number。
接下来，我们将讨论一个经常被引用的示例。尽管它并不符合真正的 Java 8 习惯用法（稍后将解释原因），但的确阐释了下界通配符的概念。
如例 A-11 所示，numsUpTo 方法传入两个参数，一个是整数，另一个是列表。采用所有数字填充列表，直至达到第一个参数指定的数字。

例 A-11　numsUpTo 方法用于填充给定列表 

public void numsUpTo(Integer num, List<? super Integer> output) {
    IntStream.rangeClosed(1, num)
             .forEach(output::add);
}

numsUpTo 方法之所以不符合 Java 8 的习惯用法，是因为它使用提供的列表作为输出变量。这实际上会带来副作用，因此不鼓励使用。尽管如此，通过将第二个参数的类型设置为 List<? super Integer>，提供的列表就可以是 List<Integer>、List<Number> 甚至 List<Object> 类型，如例 A-12 所示。

例 A-12　numsUpTo 方法的应用 

ArrayList<Integer> integerList = new ArrayList<>();
ArrayList<Number> numberList = new ArrayList<>();
ArrayList<Object> objectList = new ArrayList<>();

numsUpTo(5, integerList);
numsUpTo(5, numberList);
numsUpTo(5, objectList);

所有返回的列表均包含数字 1 到 5。使用下界通配符意味着列表将用于存储整数，但我们可以在任何超类型（supertype）的列表中使用引用。
在上界列表中，我们从列表中提取并使用值；在下界列表中，我们为列表提供值。二者的综合应用构成了所谓的 PECS 原则。

PECS原则

PECS 是“Producer Extends, Consumer Super”的缩写，这是 Joshua Bloch 在 Effective Java 一书 3 中引入的一个略显奇怪的术语，但有助于理解泛型的用法。换言之，参数化类型代表生产者（producer）则使用 extends，代表消费者（consumer）则使用 super。如果参数同时代表生产者和消费者则无须使用通配符，因为满足这两项要求的唯一类型就是显式类型（explicit type）自身。
3公认的经典 Java 教程，总结了 Java 程序设计中大量极具实用价值的规则，这些规则涵盖了开发中可能遇到的各种问题。——译者注

可以将 PECS 原则归纳如下：

  • 仅从数据结构获取值时，使用 extends；
  • 仅向数据结构写入值时，使用 super；
  • 如果需要同时获取和写入值，使用显式类型。

对于本节讨论的某些概念，均有描述这些概念的正式术语，它们经常在 Scala 这样的语言中使用。
术语协变（covariance）表示可以使用比原始指定的派生类型更大的类型。在 Java 中，由于 String[] 是 Object[] 的子类型，数组是协变的；除非使用关键字 extends 和通配符，否则集合不是协变的。
术语逆变（contravariance）表示可以使用比原始指定的派生类型更小的类型。在 Java 中，通过关键字 super 和通配符引入逆变。
术语不变性（invariance）表示只能使用原始指定的类型。除非使用 extends 或 super，否则 Java 中的所有参数化类型都具有不变性。换言之，如果某个方法要求 List<Employee>，就必须提供 List<Employee>，而不能提供 List<Object> 或 List<Salaried>4。
4协变、逆变与不变性的定义如下。如果 X 和 Y 表示类型，≤表示子类型关系，f(?) 表示类型转换，那么：当 X ≤ Y 时，f(X) ≤ f(Y) 成立，则称 f(?) 具有协变性；当 X ≤ Y 时，f(Y) ≤ f(X) 成立，则称 f(?) 具有逆变性；如果上述两种关系均不成立，则称 f(?) 具有不变性。——译者注

PECS 是对形式规则（formal rule）的一种重述，即类型构造函数在输入类型中是逆变的，在输出类型中是协变的。某些情况下，也可以将 PECS 原则表述为“读取时使用 extends，写入时使用 super”（be liberal in what you accept and conservative in what you produce）。

多重边界

在讨论 Java 8 API 中的示例之前，我们先来介绍多重边界（multiple bound）。类型参数可以有多重边界，边界之间通过“&”符号隔开：

T extends Runnable & AutoCloseable

接口边界的数量并无限制，但只能有一个类边界。如果采用某个类作为边界，它必须在所有边界中居于首位。

泛型与 Java 8 – Java 8 API示例

接下来，我们将讨论 Java 8 引入的一些新方法。

Stream.max方法

在 java.util.stream.Stream 接口中，max 方法的签名如下：

Optional<T> max(Comparator<? super T> comparator)

注意 Comparator 中使用的下界通配符。通过应用所提供的 Comparator，max 方法将返回流中最大的元素。由于流在为空时可能没有返回值，max 方法的返回类型为 Optional<T>。如果找到最大值，max 方法将其包装在 Optional，否则返回空 Optional。
为简单起见，考虑例 A-13 显示的 Employee POJO。

例 A-13　简单的 Employee POJO 

public class Employee {
    private int id;
    private String name;

    public Employee(int id, String name) {
        this.id = id;
        this.name = name;
    }

    // 其他方法
}

例 A-14 创建了一个员工集合并转换为 Stream，然后通过 max 方法查找具有最大 id 和最大 name（按字母顺序排序 5）的员工。实现采用匿名内部类来强调 Comparator 可以是 Employee 或 Object 类型。
5严格来说是按字典序（lexicographical order）排序，即大写字母位于小写字母之前。

例 A-14　查找最大的 Employee 

List<Employee> employees = Arrays.asList(
    new Employee(1, "Seth Curry"),
    new Employee(2, "Kevin Durant"),
    new Employee(3, "Draymond Green"),
    new Employee(4, "Klay Thompson"));

Employee maxId = employees.stream()
    .max(new Comparator<Employee>() {           ➊
        @Override
        public int compare(Employee e1, Employee e2) {
            return e1.getId() - e2.getId();
        }
    }).orElse(Employee.DEFAULT_EMPLOYEE);

Employee maxName = employees.stream()
    .max(new Comparator<Object>() {          ➋
        @Override
        public int compare(Object o1, Object o2) {
            return o1.toString().compareTo(o2.toString());
        }
    }).orElse(Employee.DEFAULT_EMPLOYEE);

System.out.println(maxId);   ➌
System.out.println(maxName); ➍

❶ Comparator<Employee> 的匿名内部类实现
❷ Comparator<Object> 的匿名内部类实现
❸ Klay Thompson（最大 ID 为 4）
❹ Seth Curry（最大姓名以字母 S 开头）
我们可以利用 Employee 类中的方法编写 Comparator，不过仅使用 Object 类定义的方法（如 toString）同样可行。由于 max 方法的定义中使用了通配符 super（Comparator<? super T> comparator)），Comparator 既可以是 Employee，也可以是 Object。
然而，没有人会这样编写代码。符合 Java 8 习惯用法的实现如例 A-15 所示。

例 A-15　查找最大的 Employee（Java 8 习惯用法） 

import static java.util.Comparator.comparing;
import static java.util.Comparator.comparingInt;

// 创建员工列表

Employee maxId = employees.stream()
    .max(comparingInt(Employee::getId))
    .orElse(Employee.DEFAULT_EMPLOYEE);

Employee maxName = employees.stream()
    .max(comparing(Object::toString))
    .orElse(Employee.DEFAULT_EMPLOYEE);

System.out.println(maxId);
System.out.println(maxName);

上述代码显然更为简洁，但它不像匿名内部类那样强调有界通配符。

Stream.map方法

Stream 接口还定义了一个名为 map 的方法，它传入 Function，包括两个参数，均使用通配符：

<R> Stream<R> map(Function<? super T,? extends R> mapper)

map 方法对流中的每个元素（T 类型）应用 mapper 函数，将其转换为 R 类型 6 的一个实例。因此，map 方法的返回类型为 Stream<R>。
6Java API 使用 T 表示单个输入变量，或 T 和 U 表示两个输入变量，以此类推。API 通常使用 R 表示返回变量。而对于映射，API 使用 K 表示键，V 表示值。

由于 Stream 被定义为具有类型参数 T 的泛型类（generic class），map 方法不必在签名中再定义变量 T，但需要使用另一个类型参数 R，以便在返回类型之前出现在签名中。如果 Stream 不是泛型类，map 方法将声明两个参数 T 和 R。
java.util.function.Function 接口定义了两个类型参数，第一个（输入参数）是从 Stream 消费的类型，第二个（输出参数）是函数产生的对象类型。通配符意味着在指定参数时，输入参数必须与 Stream 的类型相同或更高，而输出类型可以是返回流类型的任何子类型。

从 PECS 原则的角度来看，Function 接口的定义或许令人困惑，因为类型是反向的。不过只要记住 Function<T,R> 消费 T 并产生 R，就能理解为何 super 后跟 T，而 extends 后跟 R。

map 方法的应用如例 A-16 所示。

例 A-16　将 List<Employee> 映射到 List<String> 

List<String> names = employees.stream()
    .map(Employee::getName)
    .collect(toList());

List<String> strings = employees.stream()
    .map(Object::toString)
    .collect(toList());

可以看到，Function 声明了两个泛型变量，分别用于输入和输出。在第一个代码段中，方法引用 Employee::getName 使用流中的 Employee 作为输入，并返回 String 作为输出。
在第二个代码段中，由于通配符 super 的缘故，程序将输入变量作为 Object（而非 Employee）的方法处理。输出类型原则上可以是包含 String 子类的 List，但由于 String 被声明为 final，不存在任何子类。
接下来，我们讨论 Java 8 引入的部分方法签名。

Comparator.comparing方法

例 A-15 使用了 Comparator 接口定义的静态方法 comparing。Comparator 接口从 Java 1.0 起就已存在，开发人员或许惊讶于该接口目前包含的方法是如此之多。Java 8 将函数式接口定义为包含单一抽象方法（single abstract method）的接口。Comparator 属于函数式接口，所包含的单一抽象方法为 compare，它传入两个均为泛型类型 T 的参数。根据第一个参数小于、等于或大于第二个参数，compare 方法将分别返回负整数、0 或正整数 7。
7有关比较器的讨论请参见范例利用比较器实现排序。

而 comparing 方法的签名如下：

static <T,U extends Comparable<? super U>> Comparator<T> comparing(
    Function<? super T,? extends U> keyExtractor)

观察 comparing 方法的参数可以看到，其名称为 keyExtractor，类型为 Function。与之前类似，Function 定义了两个泛型类型，分别用于输入和输出。输入的下界由输入类型 T 指定，而输出的上界由输出类型 U 指定。参数名在这里作为键使用：函数采用某种方法提取出需要排序的属性，comparing 方法通过返回 Comparator 来完成这项工作。
我们希望使用给定属性 U 对流排序，因此 U 必须实现 Comparable。换言之，在声明 U 时，U 必须要继承 Comparable。当然，Comparable 本身是一种类型化接口（typed interface），其类型通常为 U，但也可以是 U 的任何超类。
comparing 方法最终返回的是 Comparator<T>，然后 Stream 接口定义的其他方法使用 Comparator<T> 对流排序，结果流与原始流的类型相同。
comparing 方法的用法请参见例 A-15。

Map.Entry.comparingByKey与Map.Entry.comparingByValue 方法

最后，我们编写程序将员工添加到 Map（键为员工 ID，值为员工姓名），并根据 ID 或姓名进行排序，然后打印结果。
第一步是将员工添加到 Map。借由静态方法 Collectors.toMap，只需一行代码就能实现：

// 使用ID作为键，将员工添加到映射
Map<Integer, Employee> employeeMap = employees.stream()
    .collect(Collectors.toMap(Employee::getId, Function.identity()));

toMap 方法的签名如下：

static <T, K, U> Collector<T, ?, Map<K, U>> toMap(
    Function<? super T,? extends K> keyMapper,
    Function<? super T,? extends U> valueMapper)

Collectors 是一种工具类（仅包含静态方法），提供 Collector 接口的实现。
从 toMap 方法的签名可以看到，它传入两个函数作为参数，一个用于生成键，另一个用于在输出映射中生成值。toMap 方法的返回类型为 Collector，它定义了三种泛型参数。
根据 Javadoc 的描述，Collector 接口的签名如下：

public interface Collector<T,A,R>

三种泛型类型的定义如下。

  • T：归约操作的输入元素类型；
  • A：归约操作的可变累加类型（通常隐藏为实现细节）；
  • R：归约操作的结果。

Employee::getId 相当于 toMap 方法签名中的 keyMapper。换言之，T 是 Integer；而结果 R 是 Map 接口的实现，它使用 Integer 替换 K，Employee 替换 U。
有意思的是，Collector 接口定义中的变量 A 是 Map 接口的实际实现。它可能是 HashMap8，但我们不得而知，因为结果用作 toMap 方法的参数，无法被观察到。不过在 Collector 中，类型使用无界通配符 ?，这意味着类型在内部要么仅使用 Object 类中的方法，要么使用 Map 接口中不特定于类型的方法。实际上，在调用 keyMapper 和 valueMapper 函数后，类型仅使用 Map 接口新增的默认方法 merge。
8在引用实现中的确是 HashMap。

为实现排序，Java 8 为 Map.Entry 接口引入了静态方法 comparingByKey 和 comparingByValue。如例 A-17 所示，程序根据键对映射元素排序，然后打印结果。

例 A-17　根据键对映射元素排序并打印结果 

Map<Integer, Employee> employeeMap = employees.stream()
    .collect(Collectors.toMap(Employee::getId, Function.identity())); ➊

System.out.println("Sorted by key:");
employeeMap.entrySet().stream()
    .sorted(Map.Entry.comparingByKey())
    .forEach(entry -> {
        System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue()); ➋
    });

❶ 使用 ID 作为键，将员工添加到 Map
❷ 根据 ID 对员工排序，然后打印结果
comparingByKey 方法的签名如下：

static <K extends Comparable<? super K>,V>
    Comparator<Map.Entry<K,V>> comparingByKey()

comparingByKey 方法不传入任何参数，它返回一个比较 Map.Entry 实例的 Comparator。由于我们根据键比较员工姓名，键 K 的声明泛型类型必须是 Comparable 的子类型，才能执行实际的比较操作。当然，Comparable 本身定义了泛型类型 K 或 K 的某种父类型，这意味着 compareTo 方法可以使用 K 类（或更高）的属性。
根据键进行排序的结果如下：

Sorted by key:
1: Seth Curry
2: Kevin Durant
3: Draymond Green
4: Klay Thompson

根据值进行排序则有些复杂。如果不了解泛型类型的相关知识，就很难理解错误的成因。 comparingByValue 方法的签名如下：

static <K,V extends Comparable<? super V>> Comparator<Map.Entry<K,V>>
    comparingByValue()

与 comparingByKey 方法不同，在 comparingByValue 方法中，V 必须是 Comparable 的子类型。
根据值排序时，很容易写出下面这样的代码：

// 根据员工姓名排序，然后打印结果（无法编译）
employeeMap.entrySet().stream()
    .sorted(Map.Entry.comparingByValue())
    .forEach(entry -> {
        System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
    });

不过代码无法编译，程序会提示错误：

Java: incompatible types: inference variable V has incompatible bounds
    equality constraints: generics.Employee
    upper bounds: java.lang.Comparable<? super V>

原因在于映射中的值是 Employee 的实例，但 Employee 并未实现 Comparable。好在 comparingByValue 方法还包括一种重载形式：

static <K,V> Comparator<Map.Entry<K,V>> comparingByValue(
    Comparator<? super V> cmp)

comparingByValue 方法传入 Comparator 作为参数，并返回一个新的 Comparator，它根据值比较各个 Map.Entry 元素。对映射值排序的正确方式如例 A-18 所示。

例 A-18　根据值对映射元素排序并打印结果 

// 根据员工姓名排序，然后打印结果
System.out.println("Sorted by name:");
employeeMap.entrySet().stream()
    .sorted(Map.Entry.comparingByValue(Comparator.comparing(Employee::getName)))
    .forEach(entry -> {
        System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
    });

通过为 comparing 方法提供方法引用 Employee::getName，就能实现按员工姓名的自然顺序排序：

Sorted by name:
3: Draymond Green
2: Kevin Durant
4: Klay Thompson
1: Seth Curry

希望上述示例能提供足够的背景知识，以免读者在阅读和使用 Java API 时对泛型感到困惑。

类型擦除

使用 Java 这样的语言开发时，如何保持长久以来的向后兼容性让人颇费脑筋，开发团队为此做了不少努力。以泛型为例，与泛型有关的信息将在编译阶段被删除，从而不会为参数化类型创建新的类，避免了可能出现的运行时错误。这称为类型擦除（type erasure）。
由于所有操作均在后台完成，开发人员真正需要了解的是在编译时：

  • 有界类型参数被替换为参数边界；
  • 无界类型参数被替换为 Object；
  • 在需要时插入类型强制转换；
  • 生成桥接方法（bridge method）以保持多态（polymorphism）。

对类型而言，结果相当简单。Map 接口定义了两种泛型类型，其中 K 代表键，V 代表值。在实例化 Map<Integer,Employee> 时，编译器分别用 Integer 和 Employee 替换 K 和 V。
从 Map.Entry.comparingByKey 方法的签名可以看到，键被声明为 K extends Comparable，这使得类中所有出现的 K 都会被替换为 Comparable。
Function 接口定义了两种泛型类型 T 和 R，所包含的单一抽象方法为：

R apply(T t)

从 Stream.map 方法的签名可以看到，其边界为 Function<? super T,? extends R>。观察例 A-16 中的 map 方法：

List<String> names = employees.stream()
    .map(Employee::getName)
    .collect(Collectors.toList());

Function 采用 Employee 替换 T（因为这是一个由员工构成的流），采用 String 替换 R（因为 getName 的返回类型为 String）。
关于类型擦除的讨论大致如此，但某些极端情况并未考虑在内。感兴趣的读者可以参考 Java 官方教程（Java Tutorials），不过类型擦除或许是所有技术中最简单的概念。

泛型与 Java 8 – 小结

Java 1.5 引入的泛型概念目前依然存在，不过随着 Java 8 的兴起，相应的方法签名变得更为复杂。在 Java 中，大部分函数式接口同时使用泛型类型和有界通配符以强化类型安全。希望读者能通过本附录了解泛型的基础知识，从而在实际开发中正确应用 API。

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