Javaのジェネリック型におけるワイルドカードと境界

特定のジェネリック型に加えて、ワイルドカードを使用して未知の型（<?>）を表したり、指定した型をある型のサブタイプに制限したり（<? extends Type>）、スーパータイプを含めたり（<? super Type>）できます。以下では、それぞれ非境界ワイルドカード、上限付きワイルドカード、下限付きワイルドカードについて説明します。続いて、ジェネリック型に複数の境界を定義する方法を示します。

非境界ワイルドカード

未知の型には疑問符を型として使用し、そのコンテキストで任意の型を使用できるようにします。たとえば、変数を List<?>（または属性やパラメータ）として宣言すると、String、Integer など、任意の有効な型パラメータを持つ List オブジェクトを代入できます。このような未知のジェネリック型は非境界ワイルドカード（<?>）と呼ばれます。型に対する境界を設けないためです。

たとえば、次のようにできます。

List<?> l = new ArrayList<String>();
// または、たとえば
l = new LinkedList<Integer>();

このような変数宣言は魅力的に見えるかもしれませんが、制限があります。この場合、リスト内のオブジェクトの型が分かりません。そのため、たとえばリストに要素を追加することはできません（Javaでは任意の参照型と互換性がある null を除く）。追加するオブジェクトがリストの型パラメータと同じ型である保証がないためです。

したがって、リスト（この場合は l）に要素を追加しようとすると、コンパイル時エラーになります。

void main(){
    List<?> l = new ArrayList<String>();
    // Compilation error: 
    //    "The method add(capture#2-of ?) in the type 
    //     List<capture#2-of ?> is not applicable 
    //     for the arguments (String)"
    l.add("Maria");
}

非境界型は、データを変更せずに読み取りたい場合によく使用されます。たとえば、リストの要素の型を指定せずに、リストを受け取って要素を表示するメソッドを定義できます。

public void print(List<?> list) {
    for (Object obj : list)
        IO.println(obj);
}
void main(){
    print(List.of(1, 2, 3));
    print(List.of("A", "B", "C"));
}

main メソッドを実行すると、次のように表示されます。

1
2
3
A
B
C

ここでは表示を例にしていますが、オブジェクトを反復処理したり、streams で使用したり、instanceof でフィルタリングしたり、リストのサイズを取得したり、特定のオブジェクトが含まれているか確認したり、型付きリストに変換してコピーしたりすることもできます。一方、add や set などを使ってリストを直接変更することはできません（null を除く）。

上限付きワイルドカード

上限付きワイルドカードを使用すると、指定した型、またはそのサブタイプ（継承またはインターフェースの実装によって得られるもの）のオブジェクトだけを型パラメータとして使用できることを指定できます。<? extends T> という記法は、ワイルドカードが型 T または T を継承する型でなければならないことを示します。

たとえば、ワイルドカードが Number を extends するリストを宣言すると、Double や Integer など、その任意のサブクラスのオブジェクトを代入できます。Number が具象クラスだった場合（実際には抽象クラスです）、クラス自身のオブジェクトも代入できます。次の例はこれを示しています。

void main(){
    List<? extends Number> l;
    l = new ArrayList<Double>();
    l = new LinkedList<Integer>();
}

非境界ワイルドカードの場合と同様に、リストの正確な型が分からないため、リスト l に要素を追加することはできません。そのため、最初の2つの add 呼び出しはコンパイルエラーになります。

void main(){
    List<? extends Number> l = new ArrayList<Integer>();
    l.add(1); // Compilation error
    l.add(1.0); // Compilation error
    l.add(null);
}

コードを読めば、変数 l に代入されているオブジェクトが整数のリストであることは分かります。しかしコンパイラは、l の型が未知であることしか分からないため、値の追加を許可しません。読み出す場合、値は上限である Number として扱われます。

下限付きワイルドカード

下限付きワイルドカードを使用すると、指定した型、またはそのスーパータイプのオブジェクトだけを型パラメータとして使用できることを指定できます。<? super T> という記法は、ワイルドカードが型 T または T のスーパークラスでなければならないことを示します。

たとえば、ワイルドカードの下限が Number であるリストを宣言すると、そのスーパークラス（Number の場合は明示的なスーパークラスを持たないため Object のみ）のオブジェクトを代入できます。

void main(){
    List<? super Number> l;
    l = new ArrayList<Number>();
    l = new LinkedList<Object>();
}

下限の型（この場合は Number）またはそのサブタイプ（たとえば Double や Integer）の要素を追加できます。次の例は、Number を下限とするワイルドカードを持つリストです。この場合、数値の ArrayList（またはそのスーパークラスである Object）をインスタンス化できます。そのサブクラスの要素を追加できます（Number は抽象クラスで直接のインスタンスを持てないため、型 Number のオブジェクトを直接作成して追加することはできません）。例には3つの要素追加があります。最初の2つは Number のサブタイプなので許可されます（10 は Integer、1.0 は Double）。3つ目は許可されず、Object は Number の子孫ではないためコンパイル時エラーになります。

List<? super Number> l = new ArrayList<Number>();
l.add(10);  // Allowed
l.add(1.0); // Allowed
l.add(new Object()); // Compilation error

Object を型パラメータとして ArrayList を生成した場合でも、3つ目の追加はコンパイル時に許可されず、同じエラーになります（最初の2つは引き続き許可されます）。リストの型は依然として未知であり、Number またはそのスーパータイプのいずれかであることしか分からないためです。

複数の境界

Javaでは、ジェネリック型に複数の境界を指定できます。これは、型パラメータを特定のクラスを継承する（またはそのクラス自体である）型、および1つ以上のインターフェースを実装する型に制限できることを意味します。構文は <T extends Class & Interface1 & Interface2> の形式です。クラスを境界として使用する場合は、最初にクラスを指定し、その後にインターフェースを指定します。クラスがない場合は、インターフェースだけを列挙できます。

たとえば、MultipleBounds クラスのジェネリック型 T は、Number クラスを継承し、Comparable<T> と Serializable インターフェースを実装します。

import java.io.Serializable;

public class MultipleBounds<T extends Number 
    & Comparable<T> & Serializable> {
    // ...
}

この例では、T は Number または Number を継承し、さらに Comparable<T> と Serializable を実装する型に限られます。これは、スーパークラスのメソッドへのアクセスや、複数のインターフェースによって定義された契約など、複数の保証が必要な場合に有用です。この組み合わせにより、強い型付けを維持しながらコードを柔軟にし、コンパイル時エラーを避け、使用するジェネリック型に必要なすべてのメソッドが利用できることを保証できます。

この記事は、Orientação a Objetos com Java（Eduardo Kessler Piveta 著）の内容をもとにしています。

Javaのジェネリック型におけるワイルドカードと境界

非境界ワイルドカード

上限付きワイルドカード

下限付きワイルドカード

複数の境界

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