Java - 为什么Java的泛型要用“擦除“实现

Posted 2021-05-19 Lux_Sun

前言

在 Java 中的 泛型，常常被称之为 伪泛型，究其原因是因为在实际代码的运行中，将实际类型参数的信息擦除掉了(Type Erasure)。那是什么原因导致了 Java 做出这种妥协的呢？下面我就带着大家以 Java 语言设计者的角度，带领大家一起了解这里面的辛酸过往。

 

什么是真泛型

在了解 Java "伪泛型" 之前，我们先简单讲一讲"真泛型"与“伪泛型”的区别。

• 真泛型：泛型中的类型是真实存在的。
• 伪泛型：仅于编译时类型检查，在运行时擦除类型信息。

 

编程语言实现“真泛型”的一般思路

一般编程语言引入泛型的思路，都是通过编译时膨胀法。

以 Java 语言实现"真泛型"为例，首先，对泛型类型(泛型类、泛型接口)、泛型方法的名字使用特别的编码，例如将 Factory<T> 类生成为一个名为 “Factory@@T” 的类，这种特别的编码后的名字将被编译器识别，作为判断是否为泛型的依据。方法中使用占位符 T 的地方可以临时生成为 Object ，并带上特别的 Annotation 让 Java 编译器能得知这个是占位符。然后，如果编译时发现有对 Factory<String> 的使用，则将 “Factory@@T” 的所有逻辑复制一份，新建 “Factory@String@” 类，将原本的占位符 T 替换为 String 。然后在编译 new Factory<String>() 时生成 new Factory@String@() 即可。

术语	中文含义	举例
Parameterized type	参数化类型	List<String>
Actual type parameter	实际类型参数	String
Formal type parameter	形式类型参数	E

 以 Factory<String> 与 Factory<Integer> 为例，其生成的代码为：

// 替换前的代码
Factory<String>() f1 = new Factory<String>();
Factory<Integer>() f2 = new Factory<Integer>();
 
// 替换后的代码
Factory<String>() f1 = new Factory@String@();
Factory<Integer>() f2 = new Factory@Integer@();

• 其中 Factory@String@ 类中的 T 已经被替换为 String。
• 其中 Factory@Integer@ 类中的 T 已经被替换为 Integer。

因为含有不同的 实际类型参数 的 泛型类型 都被替换为了不同的类，且泛型类型中的类型也都得到了确认。所以我们在程序中可以这么做：

class Factory<T> {

    T data;

    public static void f(Object arg){
        if(arg instanceof T){...} // success
        T var = new T(); // success
        T[] array = new T[10]; // success
    }
}

 

Java 直接使用 “真泛型” 带来的问题

单从技术来说，Java 是完全 100% 能实现我们所说的 ”真泛型”。想要实现真泛型，有如下两件事Java 必须要处理：

• 修改 JVM 源代码，让 JVM 能正确的的读取和校验泛型信息（之前的Java 是没有泛型这种概念的，所以需要修改）。
• 为了兼容老程序，需为原本不支持泛型的 API 平行添加一套泛型 API（主要是容器类型）。

就拿 ArrayList 来说，也就是必须这么做：

• java.util.ArrayList 👈 Java 老版本
• java.util.generic.ArrayList<T> 👈 Java5 新增泛型版本

即使以上的事情都做了，Java 也并不能采用这种方案。试想如下情况：

Java 5 中引入了泛型

• 如何兼容老版本.png

如果我有一个 Java 5 之下 的 A 项目与第三方的 B1 lib，其中有 A 项目中引用了 B1 lib 中的某个 ArrayList ，随着 Java 的升级，B1 lib 的开发者为了使用 Java 新特性--泛型，故将代码迁移到了 Java 5，并重新生成了 B2 lib，那么 A 项目要兼容 B2 lib，那么 A 项目中必须升级到 Java 5 并同时修改代码。

A 项目为什么必须要升级 Java 5？

在 Java 中不支持高版本的 Java 编译生成的 class 文件在低版本的 JRE 上运行，如果尝试这么做，就会得到 UnsupportedClassVersionError 错误。如下图所示：

• 版本说明.png

故 A 项目要适配 B2 lib，必要要把 Java 升级到 Java 5。

那现在我们再回过头来想想，Java 版本迭代都从 1.0 到 5.0了，有多少的开源框架，有多少项目，如果为了引入泛型，强行让开发者修改代码。这种情况，各位同学。自行脑补。估计数以万计的开发者拿着刀，在堵 Java 语言架构师的门吧。

 

逼不得已的类型擦除

在上节中，我们探讨了 Java 不能直接引入“真泛型” 的实际原因。因为“真泛型”的引入，势必会为原本不支持泛型的 API 平行添加一套泛型 API。而新增了API，对于 Java 开发者来说，又必须要做迁移。

那还有什么方案，能让开发者平滑的过渡到 Java 5， 又能使用泛型新特性呢？

• 抽烟分析.jpg

有的，有的。Java 如果想摆脱用户新版本的迁移问题。Java 必要要做以下两件事情：

• 不再新增一套泛型 API，直接把已有的类型原地泛型化。
• 处理泛化前后类型的兼容。

下面我们分别探讨一下这两件事做的目的及其原因。

做第一件事，是保证了开发者不会因为 Java 的升级，而对以前的老代码进行修改，以 ArrayList 为例，直接在原有包(java.util)下进行修改，也就是这样：

//👇Java老版本
class ArrayList{}
 
//👇Java5泛型版本
class ArrayList<T>{}

做第二件事的目的，还是以我们之前的例子进行分析，在 A 项目中，A 项目引用了 B1 lib 中的 ArrayList（用 list 变量记录），那么假设 A 项目升级到 Java 5 后，还是引用的 B1 lib，那么必然会出现如下这种情况：

下述代码中，A 项目将泛化后 ArrayList<T> 的传递给了 B1 lib 中的 ArrayList。

ArrayList list = new ArrayList<String>();

• 左边：B1 lib 中的老版本 ArrayList
• 右边：A 项目 中的新泛型版本 ArrayList<T>

这种情况的出现，会导致一个问题。就是 b1 项目中的 ArrayList 是不知道 A 项目中的 Arraylist 已经泛型化了的，那么如何保证泛型化后的 ArrayList（也就是ArrayList<T>）与老版本的 ArrayList 等价呢？

如果按照我们之前讲解的 “真泛型” 思路来处理 Java 的泛型， 那么 new ArrayList<String>() 实际会被替换为 new ArrayList@String@()，那么实际运行代码是这样：

ArrayList list = new Factory@String@();

从代码逻辑上来看，根本就跑不通。因为 ArrayList 与 ArrayList@String@ 根本就不是同一类， 那怎么办呢？

最为直接的解决方案就是，不再为参数化类型创造新类了，同时在编译期间将泛型类型中的类型参数全部替换 Object（因为不创建新类了，那么在泛型类中的 T 对应的类型，只能用 Object 替换）。

在 Java 的泛型实际实现中，会根据泛型类型中的类型参数有无边界，来选择是否替换为边界或 Object。

举个例子

• 编译器替换.png

在上述代码中，声明了一个泛型类型 Node<T>，在编译器替换后，实际为 Node。也就是这样：

// 编译器的代码
Node node = new Node<String>();

// 编译后的代码
Node node = new Node();

通过编译器的”魔法“，Java 就解决了处理泛型兼容老版本的问题。

 

总结

阅读到这里，我相信大家已经明白了 Java 中的泛型为什么要擦除类型信息了。虽然 Java 的 "伪泛型“ 一直被其他编程语言所歧视，但不管怎样，兼容老版本这种行为，也是一件值得尊敬以及认可的一件事。

不管 Java 做了什么，总是功大于过的。这里推荐一个视频给大家。相信看了这个视频之后，大家会知道 Java 对于整个世界的重要性。

• 如果Java在全世界突然被禁用会怎样