Java泛型

Posted 2020-10-11 切切歆语

 Java泛型（generics）是JDK 5中引入的一个新特性，允许在定义类和接口的时候使用类型参数（type parameter）。

 泛型（Generic type 或者 generics）是对 Java 语言的类型系统的一种扩展，以支持创建可以按类型进行参数化的类。

可以把类型参数看作是使用参数化类型时指定的类型的一个占位符，就像方法的形式参数是运行时传递的值的占位符一样。

 

1 类型擦除

正确理解泛型概念的首要前提是理解类型擦除（type erasure）。 Java中的泛型基本上都是在编译器这个层次来实现的。

在生成的Java字节代码中是不包含泛型中的类型信息的。使用泛型的时候加上的类型参数，会被编译 器在编译的时候去掉。

这个过程就称为类型擦除。如在代码中定义的List<Object>和List<String>等类型，在 编译之后都会变成List。

JVM看到的只是List，而由泛型附加的类型信息对JVM来说是不可见的。Java编译器会在编译时尽可能的发现可能出错的 地方，但是仍然无法避免在运行时刻出现类型转换异常的情况。

类型擦除也是Java的泛型实现方式与C++模板机制实现方式之间的重要区别。

很多泛型的奇怪特性都与这个类型擦除的存在有关，包括：

• 泛型类并没有自己独有的Class类对象。比如并不存在List<String>.class或是List<Integer>.class，而只有List.class。

• 静态变量是被泛型类的所有实例所共享的。对于声明为MyClass<T>的类，访问其中的静态变量的方法仍然是 MyClass.myStaticVar。不管是通过new MyClass<String>还是new MyClass<Integer>创建的对象，都是共享一个静态变量。

• 泛型的类型参数不能用在Java异常处理的catch语句中。因为异常处理是由JVM在运行时刻来进行的。由于类型信息被擦除，JVM是 无法区分两个异常类型MyException<String>和MyException<Integer>的。对于JVM来说， 它们都是 MyException类型的。也就无法执行与异常对应的catch语句。

 

类型擦除的基本过程也比较简单，首先是找到用来替换类型参数的具体类。这个具体类一般是Object。如果指定了类型参数的上界的话，则使用这个上 界。把代码中的类型参数都替换成具体的类。同时去掉出现的类型声明，即去掉<>的内 容。比如T get()方法声明就变成了Object get()；List<String>就变成了List。接下来就可能需要生成一些桥接方法（bridge method）。这是由于擦除了类型之后的类可能缺少某些必须的方法。比如考虑下面的代码：

class MyString implements Comparable<String> {
    public int compareTo(String str) {        
        return 0;    
    }
} 

 

当类型信息被擦除之后，上述类的声明变成了class MyString implements Comparable。但是这样的话，类MyString就会有编译错误，

因为没有实现接口Comparable声明的int compareTo(Object)方法。这个时候就由编译器来动态生成这个方法。                            

 

2 实例分析

了解了类型擦除机制之后，就会明白编译器承担了全部的类型检查工作。编译器禁止某些泛型的使用方式，正是为了确保类型的安全性。以上面提到的List<Object>和List<String>为例来具体分析：

public void inspect(List<Object> list) {    
    for (Object obj : list) {        
        System.out.println(obj);    
    }    
    list.add(1); //这个操作在当前方法的上下文是合法的。 
}
public void test() {    
    List<String> strs = new ArrayList<String>();    
    inspect(strs); //编译错误 
}  

这段代码中，inspect方法接受List<Object>作为参数，当在test方法中试图传入 List<String>的时候，会出现编译错误。

假设这样的做法是允许的，那么在inspect方法就可以通过list.add(1)来向 集合中添加一个数字。这样在test方法看来，其声明为List<String>的集合中却被添加了一个Integer类型的对象。

这显然是 违反类型安全的原则的，在某个时候肯定会抛出ClassCastException。

因此，编译器禁止这样的行为。编译器会尽可能的检查可能存在的类型安全问题。对于确定是违反相关原则的地方，会给出编译错误。当编译器无法判断类型的使用是否正确的时候，会给出警告信息。 

 

3 通配符与上下界

在使用泛型类的时候，既可以指定一个具体的类型，如List<String>就声明了具体的类型是String；也可以用通配符?来表 示未知类型，如List<?>就声明了List中包含的元素类型是未知的。 通配符所代表的其实是一组类型，但具体的类型是未知的。List<?>所声明的就是所有类型都是可以的。但是List<?>并不 等同于List<Object>。List<Object>实际上确定了List中包含的是Object及其子类，在使用的时候 都可以通过Object来进行引用。而List<?>则其中所包含的元素类型是不确定。其中可能包含的是String，也可能是 Integer。如果它包含了String的话，往里面添加Integer类型的元素就是错误的。正因为类型未知，就不能通过new ArrayList<?>()的方法来创建一个新的ArrayList对象。因为编译器无法知道具体的类型是什么。但是对于 List<?>中的元素确总是可以用Object来引用的，因为虽然类型未知，但肯定是Object及其子类。考虑下面的代码：

 

public void wildcard(List<?> list) {
    list.add(1);//编译错误 
}  

 如上所示，试图对一个带通配符的泛型类进行操作的时候，总是会出现编译错误。其原因在于通配符所表示的类型是未知的。

 因为对于List<?>中的元素只能用Object来引用，在有些情况下不是很方便。在这些情况下，可以使用上下界来限制未知类型的范 围。 如List<? extends Number>说明List中可能包含的元素类型是Number及其子类。而List<? super Number>则说明List中包含的是Number及其父类。当引入了上界之后，在使用类型的时候就可以使用上界类中定义的方法。比如访问 List<? extends Number>的时候，就可以使用Number类的intValue等方法。

 

4 类型系统

 

 在Java中，大家比较熟悉的是通过继承机制而产生的类型体系结构。比如String继承自Object。根据Liskov替换原则， 子类是可以替换父类的。当需要Object类的引用的时候，如果传入一个String对象是没有任何问题的。但是反过来的话，即用父类的引用替换子类引用 的时候，就需要进行强制类型转换。编译器并不能保证运行时刻这种转换一定是合法的。这种自动的子类替换父类的类型转换机制，对于数组也是适用的。 String[]可以替换Object[]。但是泛型的引入，对于这个类型系统产生了一定的影响。正如前面提到的List<String>是 不能替换掉List<Object>的。

 引入泛型之后的类型系统增加了两个维度：一个是类型参数自身的继承体系结构，另外一个是泛型类或接口自身的继承体系结构。第一个指的是对于 List<String>和List<Object>这样的情况，类型参数String是继承自Object的。而第二种指的是 List接口继承自Collection接口。对于这个类型系统，有如下的一些规则：

• 相同类型参数的泛型类的关系取决于泛型类自身的继承体系结构。即List<String>是 Collection<String> 的子类型，List<String>可以替换Collection<String>。这种情况也适用于带有上下界的类型声明。

• 当泛型类的类型声明中使用了通配符的时候， 其子类型可以在两个维度上分别展开。如对Collection<? extends Number>来说，其子类型可以在Collection这个维度上展开，即List<? extends Number>和Set<? extends Number>等；也可以在Number这个层次上展开，即Collection<Double>和 Collection<Integer>等。如此循环下去，ArrayList<Long>和 HashSet<Double>等也都算是Collection<? extends Number>的子类型。

• 如果泛型类中包含多个类型参数，则对于每个类型参数分别应用上面的规则。

 

理解了上面的规则之后，就可以很容易的修正实例分析中给出的代码了。只需要把List<Object>改成List<?>即可。List<String>是List<?>的子类型，因此传递参数时不会发生错误。

 

5 开发自己的泛型类

 

泛型类与一般的Java类基本相同，只是在类和接口定义上多出来了用<>声明的类型参数。一个类可以有多个类型参数，如 MyClass<X, Y, Z>。 每个类型参数在声明的时候可以指定上界。所声明的类型参数在Java类中可以像一般的类型一样作为方法的参数和返回值，或是作为域和局部变量的类型。但是 由于类型擦除机制，类型参数并不能用来创建对象或是作为静态变量的类型。考虑下面的泛型类中的正确和错误的用法。

 

class ClassTest<X extends Number, Y, Z> {    
    private X x;    
    private static Y y; //编译错误，不能用在静态变量中    
    public X getFirst() {
        //正确用法        
        return x;    
    }    
    public void wrong() {        
        Z z = new Z(); //编译错误，不能创建对象    
    }
}  

6 最佳实践

 在使用泛型的时候可以遵循一些基本的原则，从而避免一些常见的问题。

• 在代码中避免泛型类和原始类型的混用。比如List<String>和List不应该共同使用。这样会产生一些编译器警告和潜在的运行时异常。当需要利用JDK 5之前开发的遗留代码，而不得不这么做时，也尽可能的隔离相关的代码。

• 在使用带通配符的泛型类的时候，需要明确通配符所代表的一组类型的概念。由于具体的类型是未知的，很多操作是不允许的。

• 泛型类最好不要同数组一块使用。你只能创建new List<?>[10]这样的数组，无法创建new List<String>[10]这样的。这限制了数组的使用能力，而且会带来很多费解的问题。因此，当需要类似数组的功能时候，使用集合类 即可。

• 不要忽视编译器给出的警告信息。