Java泛型总结
Java泛型總結(jié)
Java泛型是JDK5引入的一個(gè)新特性，允許在定義類和接口的時(shí)候使用類型參數(shù)（type parameter）。聲明的類型參數(shù)在使用的時(shí)候使用具體的類型來(lái)替換。泛型最主要的應(yīng)用是在JDK5中的新集合類框架中。對(duì)于泛型概念的引入，開發(fā)社區(qū)的觀點(diǎn)是褒貶不一。從好的方面上說(shuō)，泛型的引入可以解決之前的集合類框架在使用過(guò)程中通常會(huì)出現(xiàn)的運(yùn)行時(shí)刻類型錯(cuò)誤，因?yàn)榫幾g器可以在編譯時(shí)刻就發(fā)現(xiàn)很多明顯的錯(cuò)誤。從不好的方面說(shuō)，為了保證與舊版本的兼容性，Java泛型的實(shí)現(xiàn)上還存在著不夠優(yōu)雅的地方。
類型擦除
正確理解泛型概念的首要前提是理解類型擦除（type erasure）。Java中的泛型基本上都是在編譯器這個(gè)層次來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在生成的Java字節(jié)碼中是不包含泛型中的類型信息的。使用泛型的時(shí)候加上的類型參數(shù)，會(huì)被編譯器在編譯的時(shí)候去掉。這個(gè)過(guò)程就稱為類型擦除。比如在代碼中定義的List<Object>和List<String>等類型，在編譯之后都會(huì)變成List。JVM看到的只是List，而由泛型附加的類型信息對(duì)JVM來(lái)說(shuō)是不可見的。Java編譯器會(huì)在編譯時(shí)盡可能的發(fā)現(xiàn)可能出錯(cuò)的地方，但是仍然無(wú)法避免在運(yùn)行時(shí)刻出現(xiàn)類型轉(zhuǎn)換異常的情況。
通過(guò)如下代碼片段感受類型擦除：
ArrayList<String> a1 = new ArrayList<>();ArrayList<Integer> a2 =new ArrayList<>();Class c1 =a1.getClass();Class c2 = a2.getClass();System.out.println(c1.equals(c2)); //Output: true此時(shí)，程序輸出true，這就是類型擦除造成的。因?yàn)椴还苁茿rrayList<String>還是ArrayList<Integer>，都會(huì)在編譯期被編譯器擦除成ArrayList。編譯器這么做的原因歸根結(jié)底還是為了兼容JDK5前未使用泛型的代碼，因此不得不讓編譯器擦除有關(guān)類型信息的部分，這樣生成的代碼其實(shí)就是類型無(wú)關(guān)的。
List<Integer> list = new ArrayList<>();Map<String,Integer> map = new HashMap<>();System.out.println(Arrays.toString(list.getClass().getTypeParameters())); //[E]System.out.println(Arrays.toString(map.getClass().getTypeParameters())); //[K, V]我們期望的是返回泛型參數(shù)的類型，結(jié)果返回的僅僅是參數(shù)的占位符。
public static <T> T[] makeArray(){return new T[10]; //編譯期報(bào)錯(cuò)：不能創(chuàng)建泛型類型的數(shù)組}因?yàn)門僅僅是個(gè)占位符，并不具有真實(shí)的類型信息。為了解決這個(gè)問題，可以利用反射：
public static <T> T[] makeArray(Class<T> clazz) {return (T[]) Array.newInstance(clazz, 10);}很多泛型的奇怪特性都與類型擦除的存在有關(guān)，包括：
泛型類并沒有自己獨(dú)有的Class類對(duì)象。比如并不存在List<String>.class或是List<Integer>.class，而只有List.class。
靜態(tài)變量是被泛型類的所有實(shí)例所共享的。對(duì)于聲明為MyClass<T>的類，訪問其中的靜態(tài)變量的方法仍然是MyClass.myStaticVar。不管是通過(guò)new MyClass<String>還是new MyClass<Integer>創(chuàng)建的對(duì)象，都是共享一個(gè)靜態(tài)變量。
泛型的類型參數(shù)不能用在Java異常處理的catch語(yǔ)句中。因?yàn)楫惓Ｌ幚硎怯蒍VM在運(yùn)行時(shí)刻來(lái)進(jìn)行的。由于類型信息被擦除，JVM是無(wú)法區(qū)分兩個(gè)異常類型MyException<String>和MyException<Integer>的。對(duì)于JVM來(lái)說(shuō)，它們都是MyException類型的，也就無(wú)法執(zhí)行與異常對(duì)應(yīng)的catch語(yǔ)句。
當(dāng)執(zhí)行類型擦除時(shí)，首先是找到用來(lái)替換類型參數(shù)的具體類。這個(gè)具體類一般是Object。如果指定了類型參數(shù)的上界的話，則使用這個(gè)上界。把代碼中的類型參數(shù)都替換成具體的類。同時(shí)去掉出現(xiàn)的類型聲明，即去掉<>的內(nèi)容。比如T get()方法聲明就變成了Object get()；List<String>就變成了List。接下來(lái)就可能需要生成一些橋接方法（bridge method），這是由于擦除了類型之后的類可能缺少某些必須的方法。比如考慮下面的代碼：
class MyString implements Comparable<String> {public int compareTo(String str) {return 0;} }當(dāng)類型信息被擦除之后，上述類的聲明變成了class MyString implements Comparable。但是這樣類MyString就會(huì)有編譯錯(cuò)誤，因?yàn)闆]有實(shí)現(xiàn)接口Comparable聲明的compareTo(Object)方法。這個(gè)時(shí)候就由編譯器來(lái)動(dòng)態(tài)生成這個(gè)方法。
實(shí)例分析
了解類型擦除機(jī)制之后，就會(huì)明白編譯器承擔(dān)了全部的類型檢查工作。編譯器禁止某些泛型的使用方式，正是為了確保類型的安全性。以List<Object>和List<String>為例來(lái)具體分析：
public void inspect(List<Object> list) {for(Object obj : list) {System.out.println(obj);}list.add(1); //這個(gè)操作在當(dāng)前方法的上下文是合法的 }public void test() {List<String> strs = new ArrayList<String>();inspect(strs); //編譯錯(cuò)誤 }這段代碼中，inspect方法接受List<Object>作為參數(shù)，當(dāng)在test方法中試圖傳入List<String>的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)編譯錯(cuò)誤。假設(shè)這樣的做法是允許的，那么在inspect方法中就可以通過(guò)list.add(1)來(lái)向集合中添加一個(gè)數(shù)字。這樣在test方法看來(lái)，其聲明為L(zhǎng)ist<String>的集合中被添加了一個(gè)Integer類型的對(duì)象，這顯然是違反類型安全原則的，在某個(gè)時(shí)候肯定會(huì)拋出ClassCastException。因此，編譯器禁止這樣的行為。
通配符與上下界
在使用泛型類的時(shí)候，既可以指定一個(gè)具體的類型，如List<String>就聲明了具體的類型是String；也可以用通配符?來(lái)表示未知類型，如List<?>就聲明了List中包含的元素類型是未知的。通配符所代表的其實(shí)是一組類型，但具體的類型是未知的。List<?>所聲明的就是所有的類型都是可以的。但是List<?>并不等同于List<Object>。List<Object>實(shí)際上確定了List中包含的是Object及其子類，在使用的時(shí)候可以通過(guò)Object來(lái)進(jìn)行引用。而List<?>則表示其中所包含的元素類型是不確定。其中可能包含的是String，也可能是Integer。如果它包含了String的話，往里面添加Integer類型的元素就是錯(cuò)誤的。正因?yàn)轭愋臀粗?#xff0c;就不能通過(guò)new ArrayList<?>()的方法來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的ArrayList對(duì)象。因?yàn)榫幾g器無(wú)法知道具體的類型是什么。但是對(duì)于List<?>中的元素總是可以用Object來(lái)引用的，因?yàn)殡m然類型未知，但肯定是Object及其子類。考慮下面的代碼：
public void wildcard(List<?> list) {list.add(1); //編譯錯(cuò)誤 }如上所示，試圖對(duì)一個(gè)帶通配符的泛型類進(jìn)行操作的時(shí)候，總是會(huì)出現(xiàn)編譯錯(cuò)誤。其原因在于通配符所表示的類型是未知的。
因?yàn)閷?duì)于List<?>中的元素只能用Object來(lái)引用，在有些情況下不是很方便。在這些情況下，可以使用上下界來(lái)限制未知類型的范圍。如List<? extends Number>說(shuō)明List中包含的是Number及其子類。而List<? super Number>則說(shuō)明List中包含的是Number及其父類。當(dāng)引入了上界時(shí)候，在使用類型的時(shí)候就可以使用上界類中定義的方法。比如訪問List<? extends Number>的時(shí)候，就可以使用Number類的intValue等方法。
類型系統(tǒng)
在Java中，比較常見的是通過(guò)繼承機(jī)制而產(chǎn)生的類型體系結(jié)構(gòu)。比如String繼承自O(shè)bject。根據(jù)Liskov替換原則，子類是可以替換父類的。當(dāng)需要Object類的引用的時(shí)候，如果傳入一個(gè)String對(duì)象是沒有任何問題的。但是反過(guò)來(lái)的話，即用父類的引用替換子類引用時(shí)，就需要進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換。編譯器并不能保證運(yùn)行時(shí)刻的這種轉(zhuǎn)換一定是合法的。這種自動(dòng)的子類替換父類的轉(zhuǎn)換機(jī)制，對(duì)于數(shù)組也是適用的。String[]可以替換Object[]。但是泛型的引入，對(duì)于這個(gè)類型系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的影響。例如List<String>是不能替換List<Object>的。
引入泛型之后的類型系統(tǒng)增加了兩個(gè)維度：一個(gè)是類型參數(shù)自身的繼承體系結(jié)構(gòu)，另外一個(gè)是泛型類或接口自身的繼承體系結(jié)構(gòu)。第一個(gè)指的是對(duì)于List<String>和List<Object>這樣的情況，類型參數(shù)String繼承自O(shè)bject。而第二種指的是List接口繼承自Collection接口。對(duì)于這個(gè)類型系統(tǒng)，有如下的一些規(guī)則：
相同類型參數(shù)的泛型類的關(guān)系取決于泛型類自身的繼承體系結(jié)構(gòu)。即List<String>是Collection<String>的子類型，List<String>可以替換Collection<String>。這種情況也適用于帶有上下界的類型聲明。
當(dāng)泛型類的類型聲明中使用了通配符的時(shí)候，其子類可以在兩個(gè)維度上分別展開。如對(duì)Collection<? extends Number>來(lái)說(shuō)，其子類型可以在Collection這個(gè)維度上展開，即List<? extends Number>和Set<? extends Number>等；也可以在Number這個(gè)維度展開，即Collection<Double>和Collection<Integer>等。如此循環(huán)下去，ArrayList<Long>和HashSet<Double>等也都算是Collection<? extends Number>的子類型。
如果泛型類中包含多個(gè)類型參數(shù)，則對(duì)每個(gè)類型參數(shù)分別應(yīng)用上面的規(guī)則。
因此，對(duì)于上面錯(cuò)誤的代碼，只需要將List<Object>修正為L(zhǎng)ist<?>即可。List<String>是List<?>的子類型。
開發(fā)自己的泛型類
泛型類與一般的Java類基本相同，只是在類和接口定義上多出來(lái)了用<>聲明的類型參數(shù)。一個(gè)類可以有多個(gè)類型參數(shù)，比如MyClass<X, Y, Z>。每個(gè)類型參數(shù)在聲明的時(shí)候可以指定上下界。所聲明的類型參數(shù)在Java類中可以像一般的類型一樣作為方法的參數(shù)和返回值，或是作為域和局部變量的類型。由于類型擦除機(jī)制，類型參數(shù)并不能用來(lái)創(chuàng)建對(duì)象或是作為靜態(tài)變量的類型。考慮下面的泛型類中的正確和錯(cuò)誤的用法。
class ClassTest<X extends Number, Y, Z> {private X x;private static Y y; //編譯錯(cuò)誤，不能用在靜態(tài)變量中public X getFirst() {return x; //正確用法}public void wrong() {Z z = new Z(); //編譯錯(cuò)誤，不能查創(chuàng)建對(duì)象} }假設(shè)允許類型參數(shù)聲明為靜態(tài)屬性，那么如下代碼將會(huì)非常混亂。
public class Computer<T> {private static T os;public Computer(T os) {this.os = os;}public T getOS() {return os;}public static void main(String [] args) {Computer<Linux> c1 = new Computer<>();Computer<MacOS> c2 = new Computer<>();Computer<Windows> c3 = new Computer<>();System.out.println(c1.getOS());System.out.println(c2.getOS());System.out.println(c3.getOS());} }因?yàn)閛s為Computer類的靜態(tài)屬性，所以c1，c2，c3這3個(gè)Computer實(shí)例共享這個(gè)屬性，那么此時(shí)os的類型是什么？因此，不允許聲明靜態(tài)的類型參數(shù)屬性。
總結(jié)
在使用Java泛型的時(shí)候可以遵循一些基本的原則，從而避免一些常見的問題。
在代碼中避免泛型類和原始類型的混用。比如List<String>和List不應(yīng)該共同使用。這樣會(huì)產(chǎn)生一些編譯器警告和潛在的運(yùn)行時(shí)異常。
在使用帶通配符的泛型類的時(shí)候，需要明確通配符所代表的一組類型的概念。由于具體的類型是未知的，很多操作是不允許的。
泛型類最好不要同數(shù)組一塊兒使用。只能創(chuàng)建new List<?>[10]這樣的數(shù)組，無(wú)法創(chuàng)建new List<String>[10]這樣的。這限制了數(shù)組的使用能力，而且會(huì)帶來(lái)很多費(fèi)解的問題。
參考
InfoQ
Java泛型：類型擦除
總結(jié)
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