Java泛型详解

引言

Java泛型是jdk1.5中引入的一个新特性，泛型提供了编译时的类型检测机制，该机制允许程序员在编译时检测到非法的类型。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：

1public class Box {
2    private String object;
3    public void set(String object) { this.object = object; }
4    public String get() { return object; }
5}

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。

1public class Box<T> {
2    // T stands for "Type"
3    private T t;
4    public void set(T t) { this.t = t; }
5    public T get() { return t; }
6}

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：

1Box<Integer> integerBox = new Box<Integer>();
2Box<Double> doubleBox = new Box<Double>();
3Box<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：

1public class Util {
2    public static <K, V> boolean compare(Pair<K, V> p1, Pair<K, V> p2) {
3        return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
4               p1.getValue().equals(p2.getValue());
5    }
6}
7public class Pair<K, V> {
8    private K key;
9    private V value;
10    public Pair(K key, V value) {
11        this.key = key;
12        this.value = value;
13    }
14    public void setKey(K key) { this.key = key; }
15    public void setValue(V value) { this.value = value; }
16    public K getKey()   { return key; }
17    public V getValue() { return value; }
18}

我们可以像下面这样去调用泛型方法：

1Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
2Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
3boolean 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：

1Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
2Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
3boolean 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：

1public static <T> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
2    int count = 0;
3    for (T e : anArray)
4        if (e > elem)  // compiler error
5            ++count;
6    return count;
7}

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。

1public interface Comparable<T> {
2    public int compareTo(T o);
3}

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。

1public static <T extends Comparable<T>> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
2    int count = 0;
3    for (T e : anArray)
4        if (e.compareTo(elem) > 0)
5            ++count;
6    return count;
7}

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：

1class Fruit {}
2class Apple extends Fruit {}
3class 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。

1public class GenericReading {
2    static List<Apple> apples = Arrays.asList(new Apple());
3    static List<Fruit> fruit = Arrays.asList(new Fruit());
4    static class Reader<T> {
5        T readExact(List<T> list) {
6            return list.get(0);
7        }
8    }
9    static void f1() {
10        Reader<Fruit> fruitReader = new Reader<Fruit>();
11        // Errors: List<Fruit> cannot be applied to List<Apple>.
12        // Fruit f = fruitReader.readExact(apples);
13    }
14    public static void main(String[] args) {
15        f1();
16    }
17}

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：

1static class CovariantReader<T> {
2    T readCovariant(List<? extends T> list) {
3        return list.get(0);
4    }
5}
6static void f2() {
7    CovariantReader<Fruit> fruitReader = new CovariantReader<Fruit>();
8    Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);
9    Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);
10}
11public static void main(String[] args) {
12    f2();
13}

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：

1public class GenericsAndCovariance {
2    public static void main(String[] args) {
3        // Wildcards allow covariance:
4        List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
5        // Compile Error: can't add any type of object:
6        // flist.add(new Apple())
7        // flist.add(new Orange())
8        // flist.add(new Fruit())
9        // flist.add(new Object())
10        flist.add(null); // Legal but uninteresting
11        // We Know that it returns at least Fruit:
12        Fruit f = flist.get(0);
13    }
14}

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：

1List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Fruit>();
2List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
3List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Orange>();

当我们尝试add一个Apple的时候，flist可能指向new ArrayList<Orange>();
当我们尝试add一个Orange的时候，flist可能指向new ArrayList<Apple>();
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>：

1public class GenericWriting {
2    static List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>();
3    static List<Fruit> fruit = new ArrayList<Fruit>();
4    static <T> void writeExact(List<T> list, T item) {
5        list.add(item);
6    }
7    static void f1() {
8        writeExact(apples, new Apple());
9        writeExact(fruit, new Apple());
10    }
11    static <T> void writeWithWildcard(List<? super T> list, T item) {
12        list.add(item)
13    }
14    static void f2() {
15        writeWithWildcard(apples, new Apple());
16        writeWithWildcard(fruit, new Apple());
17    }
18    public static void main(String[] args) {
19        f1(); f2();
20    }
21}

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：

1List<? super Apple> list = new ArrayList<Apple>();
2List<? super Apple> list = new ArrayList<Fruit>();
3List<? 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”：

“Producer Extends” - 如果你需要一个只读List，用它来produce T，那么使用? extends T。
“Consumer Super” - 如果你需要一个只写List，用它来consume T，那么使用? super T。
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：

1public class Collections {
2    public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
3        for (int i=0; i<src.size(); i++)
4            dest.set(i, src.get(i));
5    }
6}

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：

1public class Node<T> {
2    private T data;
3    private Node<T> next;
4    public Node(T data, Node<T> next) }
5        this.data = data;
6        this.next = next;
7    }
8    public T getData() { return data; }
9    // ...
10}

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：

1public class Node {
2    private Object data;
3    private Node next;
4    public Node(Object data, Node next) {
5        this.data = data;
6        this.next = next;
7    }
8    public Object getData() { return data; }
9    // ...
10}

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：

1public class Node<T extends Comparable<T>> {
2    private T data;
3    private Node<T> next;
4    public Node(T data, Node<T> next) {
5        this.data = data;
6        this.next = next;
7    }
8    public T getData() { return data; }
9    // ...
10}

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：

1public class Node {
2    private Comparable data;
3    private Node next;
4    public Node(Comparable data, Node next) {
5        this.data = data;
6        this.next = next;
7    }
8    public Comparable getData() { return data; }
9    // ...
10}

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：

1Object[] strings = new String[2];
2strings[0] = "hi";   // OK
3strings[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：

1Object[] stringLists = new List<String>[];  // compiler error, but pretend it's allowed
2stringLists[0] = new ArrayList<String>();   // OK
3// An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can't detect it.
4stringLists[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：

1public class ErasedTypeEquivalence {
2    public static void main(String[] args) {
3        Class c1 = new ArrayList<String>().getClass();
4        Class c2 = new ArrayList<Integer>().getClass();
5        System.out.println(c1 == c2); // true
6    }
7}

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。

1public class Node<T> {
2    public T data;
3    public Node(T data) { this.data = data; }
4    public void setData(T data) {
5        System.out.println("Node.setData");
6        this.data = data;
7    }
8}
9public class MyNode extends Node<Integer> {
10    public MyNode(Integer data) { super(data); }
11    public void setData(Integer data) {
12        System.out.println("MyNode.setData");
13        super.setData(data);
14    }
15}

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：

1public class Node {
2    public Object data;
3    public Node(Object data) { this.data = data; }
4    public void setData(Object data) {
5        System.out.println("Node.setData");
6        this.data = data;
7    }
8}
9public class MyNode extends Node {
10    public MyNode(Integer data) { super(data); }
11    public void setData(Integer data) {
12        System.out.println("MyNode.setData");
13        super.setData(data);
14    }
15}

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：

1MyNode mn = new MyNode(5);
2Node n = mn; // A raw type - compiler throws an unchecked warning
3n.setData("Hello"); // Causes a ClassCastException to be thrown.
4// 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：

1class MyNode extends Node {
2    // Bridge method generated by the compiler
3    public void setData(Object data) {
4        setData((Integer) data);
5    }
6    public void setData(Integer data) {
7        System.out.println("MyNode.setData");
8        super.setData(data);
9    }
10    // ...
11}

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：

1public static <E> void append(List<E> list) {
2    E elem = new E();  // compile-time error
3    list.add(elem);
4}

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：

1public static <E> void append(List<E> list, Class<E> cls) throws Exception {
2    E elem = cls.newInstance();   // OK
3    list.add(elem);
4}

我们可以像下面这样调用：

1List<String> ls = new ArrayList<>();
2append(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：

1public static <E> void rtti(List<E> list) {
2    if (list instanceof ArrayList<Integer>) {  // compile-time error
3        // ...
4    }
5}
6=> { 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：

1public static void rtti(List<?> list) {
2    if (list instanceof ArrayList<?>) {  // OK; instanceof requires a reifiable type
3        // ...
4    }
5}

我有一个微信公众号，经常会分享一些Java技术相关的干货。如果你喜欢我的分享，可以用微信搜索“Java团长”或者“javatuanzhang”关注。

引言

泛型基础

通配符

类型擦除

评论区

相关推荐