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Java 泛型详解

来源:ziwenxie.site 发布时间:2017-03-03 阅读次数:

 引言

  泛型是Java中一个非常重要的知识点,在Java集合类框架中泛型被广泛应用。本文我们将从零开始来看一下Java泛型的设计,将会涉及到通配符处理,以及让人苦恼的类型擦除。

 泛型基础

  泛型类

  我们首先定义一个简单的Box类: public class Box { private String object; public void set(String object) { this.object = object; } public String get() { return object; } }   这是最常见的做法,这样做的一个坏处是Box里面现在只能装入String类型的元素,今后如果我们需要装入Integer等其他类型的元素,还必须要另外重写一个Box,代码得不到复用,使用泛型可以很好的解决这个问题。 public class Box<T> { // T stands for "Type" private T t; public void set(T t) { this.t = t; } public T get() { return t; } }   这样我们的Box类便可以得到复用,我们可以将T替换成任何我们想要的类型: Box<Integer> integerBox = new Box<Integer>(); Box<Double> doubleBox = new Box<Double>(); Box<String> stringBox = new Box<String>();

  泛型方法

  看完了泛型类,接下来我们来了解一下泛型方法。声明一个泛型方法很简单,只要在返回类型前面加上一个类似<K, V>的形式就行了: public class Util { public static <K, V> boolean compare(Pair<K, V> p1, Pair<K, V> p2) { return p1.getKey().equals(p2.getKey()) && p1.getValue().equals(p2.getValue()); } } public class Pair<K, V> { private K key; private V value; public Pair(K key, V value) { this.key = key; this.value = value; } public void setKey(K key) { this.key = key; } public void setValue(V value) { this.value = value; } public K getKey() { return key; } public V getValue() { return value; } }   我们可以像下面这样去调用泛型方法: Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple"); Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear"); boolean same = Util.<Integer, String>compare(p1, p2);   或者在Java1.7/1.8利用type inference,让Java自动推导出相应的类型参数: Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple"); Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear"); boolean same = Util.compare(p1, p2);

  边界符

  现在我们要实现这样一个功能,查找一个泛型数组中大于某个特定元素的个数,我们可以这样实现: public static <T> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) { int count = 0; for (T e : anArray) if (e > elem) // compiler error ++count; return count; }   但是这样很明显是错误的,因为除了short, int, double, long, float, byte, char等原始类型,其他的类并不一定能使用操作符>,所以编译器报错,那怎么解决这个问题呢?答案是使用边界符。 public interface Comparable<T> { public int compareTo(T o); }   做一个类似于下面这样的声明,这样就等于告诉编译器类型参数T代表的都是实现了Comparable接口的类,这样等于告诉编译器它们都至少实现了compareTo方法。 public static <T extends Comparable<T>> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) { int count = 0; for (T e : anArray) if (e.compareTo(elem) > 0) ++count; return count; }

 通配符

  在了解通配符之前,我们首先必须要澄清一个概念,还是借用我们上面定义的Box类,假设我们添加一个这样的方法: public void boxTest(Box<Number> n) { /* ... */ }   那么现在Box<Number> n允许接受什么类型的参数?我们是否能够传入Box<Integer>或者Box<Double>呢?答案是否定的,虽然Integer和Double是Number的子类,但是在泛型中Box<Integer>或者Box<Double>与Box<Number>之间并没有任何的关系。这一点非常重要,接下来我们通过一个完整的例子来加深一下理解。   首先我们先定义几个简单的类,下面我们将用到它: class Fruit {} class Apple extends Fruit {} class Orange extends Fruit {}   下面这个例子中,我们创建了一个泛型类Reader,然后在f1()中当我们尝试Fruit f = fruitReader.readExact(apples);编译器会报错,因为List<Fruit>与List<Apple>之间并没有任何的关系。 public class GenericReading { static List<Apple> apples = Arrays.asList(new Apple()); static List<Fruit> fruit = Arrays.asList(new Fruit()); static class Reader<T> { T readExact(List<T> list) { return list.get(0); } } static void f1() { Reader<Fruit> fruitReader = new Reader<Fruit>(); // Errors: List<Fruit> cannot be applied to List<Apple>. // Fruit f = fruitReader.readExact(apples); } public static void main(String[] args) { f1(); } }   但是按照我们通常的思维习惯,Apple和Fruit之间肯定是存在联系,然而编译器却无法识别,那怎么在泛型代码中解决这个问题呢?我们可以通过使用通配符来解决这个问题: static class CovariantReader<T> { T readCovariant(List<? extends T> list) { return list.get(0); } } static void f2() { CovariantReader<Fruit> fruitReader = new CovariantReader<Fruit>(); Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit); Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples); } public static void main(String[] args) { f2(); }   这样就相当与告诉编译器, fruitReader的readCovariant方法接受的参数只要是满足Fruit的子类就行(包括Fruit自身),这样子类和父类之间的关系也就关联上了。

  PECS原则

  上面我们看到了类似<? extends T>的用法,利用它我们可以从list里面get元素,那么我们可不可以往list里面add元素呢?我们来尝试一下: public class GenericsAndCovariance { public static void main(String[] args) { // Wildcards allow covariance: List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>(); // Compile Error: can't add any type of object: // flist.add(new Apple()) // flist.add(new Orange()) // flist.add(new Fruit()) // flist.add(new Object()) flist.add(null); // Legal but uninteresting // We Know that it returns at least Fruit: Fruit f = flist.get(0); } }   答案是否定,Java编译器不允许我们这样做,为什么呢?对于这个问题我们不妨从编译器的角度去考虑。因为List<? extends Fruit> flist它自身可以有多种含义: List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Fruit>(); List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>(); List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Orange>();
  1. 当我们尝试add一个Apple的时候,flist可能指向new ArrayList<Orange>();
  2. 当我们尝试add一个Orange的时候,flist可能指向new ArrayList<Apple>();
  3. 当我们尝试add一个Fruit的时候,这个Fruit可以是任何类型的Fruit,而flist可能只想某种特定类型的Fruit,编译器无法识别所以会报错。
  所以对于实现了<? extends T>的集合类只能将它视为Producer向外提供(get)元素,而不能作为Consumer来对外获取(add)元素。   如果我们要add元素应该怎么做呢?可以使用<? super T>: public class GenericWriting { static List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>(); static List<Fruit> fruit = new ArrayList<Fruit>(); static <T> void writeExact(List<T> list, T item) { list.add(item); } static void f1() { writeExact(apples, new Apple()); writeExact(fruit, new Apple()); } static <T> void writeWithWildcard(List<? super T> list, T item) { list.add(item) } static void f2() { writeWithWildcard(apples, new Apple()); writeWithWildcard(fruit, new Apple()); } public static void main(String[] args) { f1(); f2(); } }   这样我们可以往容器里面添加元素了,但是使用super的坏处是以后不能get容器里面的元素了,原因很简单,我们继续从编译器的角度考虑这个问题,对于List<? super Apple> list,它可以有下面几种含义: List<? super Apple> list = new ArrayList<Apple>(); List<? super Apple> list = new ArrayList<Fruit>(); List<? super Apple> list = new ArrayList<Object>();   当我们尝试通过list来get一个Apple的时候,可能会get得到一个Fruit,这个Fruit可以是Orange等其他类型的Fruit。   根据上面的例子,我们可以总结出一条规律,”Producer Extends, Consumer Super”:
  1. “Producer Extends” – 如果你需要一个只读List,用它来produce T,那么使用? extends T。
  2. “Consumer Super” – 如果你需要一个只写List,用它来consume T,那么使用? super T。
  3. 如果需要同时读取以及写入,那么我们就不能使用通配符了。
  如何阅读过一些Java集合类的源码,可以发现通常我们会将两者结合起来一起用,比如像下面这样: public class Collections { public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) { for (int i=0; i<src.size(); i++) dest.set(i, src.get(i)); } }

 类型擦除

  Java泛型中最令人苦恼的地方或许就是类型擦除了,特别是对于有C++经验的程序员。类型擦除就是说Java泛型只能用于在编译期间的静态类型检查,然后编译器生成的代码会擦除相应的类型信息,这样到了运行期间实际上JVM根本就知道泛型所代表的具体类型。这样做的目的是因为Java泛型是1.5之后才被引入的,为了保持向下的兼容性,所以只能做类型擦除来兼容以前的非泛型代码。对于这一点,如果阅读Java集合框架的源码,可以发现有些类其实并不支持泛型。   说了这么多,那么泛型擦除到底是什么意思呢?我们先来看一下下面这个简单的例子: public class Node<T> { private T data; private Node<T> next; public Node(T data, Node<T> next) } this.data = data; this.next = next; } public T getData() { return data; } // ... }   编译器做完相应的类型检查之后,实际上到了运行期间上面这段代码实际上将转换成: public class Node { private Object data; private Node next; public Node(Object data, Node next) { this.data = data; this.next = next; } public Object getData() { return data; } // ... }   这意味着不管我们声明Node<String>还是Node<Integer>,到了运行期间,JVM统统视为Node<Object>。有没有什么办法可以解决这个问题呢?这就需要我们自己重新设置bounds了,将上面的代码修改成下面这样: public class Node<T extends Comparable<T>> { private T data; private Node<T> next; public Node(T data, Node<T> next) { this.data = data; this.next = next; } public T getData() { return data; } // ... }   这样编译器就会将T出现的地方替换成Comparable而不再是默认的Object了: public class Node { private Comparable data; private Node next; public Node(Comparable data, Node next) { this.data = data; this.next = next; } public Comparable getData() { return data; } // ... }   上面的概念或许还是比较好理解,但其实泛型擦除带来的问题远远不止这些,接下来我们系统地来看一下类型擦除所带来的一些问题,有些问题在C++的泛型中可能不会遇见,但是在Java中却需要格外小心。

  问题一

  在Java中不允许创建泛型数组,类似下面这样的做法编译器会报错: List<Integer>[] arrayOfLists = new List<Integer>[2]; // compile-time error   为什么编译器不支持上面这样的做法呢?继续使用逆向思维,我们站在编译器的角度来考虑这个问题。   我们先来看一下下面这个例子: Object[] strings = new String[2]; strings[0] = "hi"; // OK strings[1] = 100; // An ArrayStoreException is thrown.   对于上面这段代码还是很好理解,字符串数组不能存放整型元素,而且这样的错误往往要等到代码运行的时候才能发现,编译器是无法识别的。接下来我们再来看一下假设Java支持泛型数组的创建会出现什么后果: Object[] stringLists = new List<String>[]; // compiler error, but pretend it's allowed stringLists[0] = new ArrayList<String>(); // OK // An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can't detect it. stringLists[1] = new ArrayList<Integer>();   假设我们支持泛型数组的创建,由于运行时期类型信息已经被擦除,JVM实际上根本就不知道new ArrayList<String>()和new ArrayList<Integer>()的区别。类似这样的错误假如出现才实际的应用场景中,将非常难以察觉。   如果你对上面这一点还抱有怀疑的话,可以尝试运行下面这段代码: public class ErasedTypeEquivalence { public static void main(String[] args) { Class c1 = new ArrayList<String>().getClass(); Class c2 = new ArrayList<Integer>().getClass(); System.out.println(c1 == c2); // true } }

  问题二

  继续复用我们上面的Node的类,对于泛型代码,Java编译器实际上还会偷偷帮我们实现一个Bridge method。 public class Node<T> { public T data; public Node(T data) { this.data = data; } public void setData(T data) { System.out.println("Node.setData"); this.data = data; } } public class MyNode extends Node<Integer> { public MyNode(Integer data) { super(data); } public void setData(Integer data) { System.out.println("MyNode.setData"); super.setData(data); } }   看完上面的分析之后,你可能会认为在类型擦除后,编译器会将Node和MyNode变成下面这样: public class Node { public Object data; public Node(Object data) { this.data = data; } public void setData(Object data) { System.out.println("Node.setData"); this.data = data; } } public class MyNode extends Node { public MyNode(Integer data) { super(data); } public void setData(Integer data) { System.out.println("MyNode.setData"); super.setData(data); } }   实际上不是这样的,我们先来看一下下面这段代码,这段代码运行的时候会抛出ClassCastException异常,提示String无法转换成Integer: MyNode mn = new MyNode(5); Node n = mn; // A raw type - compiler throws an unchecked warning n.setData("Hello"); // Causes a ClassCastException to be thrown. // Integer x = mn.data;   如果按照我们上面生成的代码,运行到第3行的时候不应该报错(注意我注释掉了第4行),因为MyNode中不存在setData(String data)方法,所以只能调用父类Node的setData(Object data)方法,既然这样上面的第3行代码不应该报错,因为String当然可以转换成Object了,那ClassCastException到底是怎么抛出的?   实际上Java编译器对上面代码自动还做了一个处理: class MyNode extends Node { // Bridge method generated by the compiler public void setData(Object data) { setData((Integer) data); } public void setData(Integer data) { System.out.println("MyNode.setData"); super.setData(data); } // ... }   这也就是为什么上面会报错的原因了,setData((Integer) data);的时候String无法转换成Integer。所以上面第2行编译器提示unchecked warning的时候,我们不能选择忽略,不然要等到运行期间才能发现异常。如果我们一开始加上Node<Integer> n = mn就好了,这样编译器就可以提前帮我们发现错误。

  问题三

  正如我们上面提到的,Java泛型很大程度上只能提供静态类型检查,然后类型的信息就会被擦除,所以像下面这样利用类型参数创建实例的做法编译器不会通过: public static <E> void append(List<E> list) { E elem = new E(); // compile-time error list.add(elem); }   但是如果某些场景我们想要需要利用类型参数创建实例,我们应该怎么做呢?可以利用反射解决这个问题: public static <E> void append(List<E> list, Class<E> cls) throws Exception { E elem = cls.newInstance(); // OK list.add(elem); }   我们可以像下面这样调用: List<String> ls = new ArrayList<>(); append(ls, String.class);   实际上对于上面这个问题,还可以采用Factory和Template两种设计模式解决,感兴趣的朋友不妨去看一下Thinking in Java中第15章中关于Creating instance of types(英文版第664页)的讲解,这里我们就不深入了。

  问题四

  我们无法对泛型代码直接使用instanceof关键字,因为Java编译器在生成代码的时候会擦除所有相关泛型的类型信息,正如我们上面验证过的JVM在运行时期无法识别出ArrayList<Integer>和ArrayList<String>的之间的区别: public static <E> void rtti(List<E> list) { if (list instanceof ArrayList<Integer>) { // compile-time error // ... } } => { ArrayList<Integer>, ArrayList<String>, LinkedList<Character>, ... }   和上面一样,我们可以使用通配符重新设置bounds来解决这个问题: public static void rtti(List<?> list) { if (list instanceof ArrayList<?>) { // OK; instanceof requires a reifiable type // ... } }
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