Java:泛型的理解

Posted 2022-03-12 taojinxuan

本文源自参考《Think in Java》，多篇博文以及阅读源码的总结

前言

Java中的泛型每各人都在使用，但是它底层的实现方法是什么呢，为何要这样实现，这样实现的优缺点有哪些，怎么解决泛型带来的问题。带着好奇，我查阅资料进行了初步的学习，在此与诸位探讨。

一 类型参数

学过JAVA的人都知道泛型，明白大概怎么使用。在类上为：class 类名 ，在方法上为：public void 方法名 (T x)。泛型的实现使得类型变成了参数可以传入，使得类功能多样化。

具体可分为5种情况:

1. T是成员变量的类型
2. T是泛型变量（无论成员变量还是局部变量）的类型参数，常见如Class<T>，List<T>。
3. T是方法抛出的Exception（要求<T extends Exception>）
4. T是方法的返回值
5. T是方法的参数

1.1 泛型的实现

JAVA的泛型是基于编译器实现的，使用了擦除的方法实现，这是因为java1.5之后才出现了泛型，为了保持向后兼容而做出的妥协。

所谓擦除就是JAVA文件在编译成字节码时类型参数会被擦除掉，单独记录在其他地方。并且用类型参数的父类代替原有的位置。
假设参数类型的占位符为T，擦除规则如下：

1. <T>擦除后变为Obecjt
2. <? extends A>擦除后变为A
3. <? super A>擦除后变为Object

这种规则叫做保留上界

编译器擦除类型参数后，通过JAVA的强制转换保证了类型参数在使用时的正确。如：在类型参数T中传入了类A,那么编译器会在所有类A将返回(抛出)类型参数T的代码处加上(A)进行强转.

举个栗子：

        ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
        list.add("123");
        String b = list.get(0);

在编译后会变成

        ArrayList list = new ArrayList();//没有参数即默认为Object
        list.add("123");
        String b = (String) list.get(0);

并且会在带有类型参数类的子类中形成桥方法保证了多态性。
具体参考官方解释如下

• Replace all type parameters in generic types with their bounds or Object if the type parameters are unbounded. The produced bytecode, therefore, contains only ordinary classes, interfaces, and methods.
• Insert type casts if necessary to preserve type safety.
• Generate bridge methods to preserve polymorphism in extended generic types.

二 通配符?

在带有类型参数的类内部，代码仍然按照参数类型擦除后的父类来处理。但是擦除存在一个问题，在这种机制下泛型是不变的，而没有逆变和协变。

2.1 逆变与协变

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协变和逆变网上有很多解释，显得模糊不清，我参考几个编程语言的官方解释后给出一个比较宽泛的定义。协变指能够使用比原始声明类型的派生程度更大（更具体的）的类型，逆变指能够使用比原始声明类型的派生程度更小（不太具体的）的类型。
如:
Object obj = new String("123");
这就是协变，将String这个更具体的（子类）类型赋给了原本较宽泛定义（父类）的类型Object。
JAVA不允许将父类赋给子类，自然Java不支持逆变。

网上很多博文说JAVA泛型也有逆变，我是不赞同的，那只是一种模拟的逆变，即有部分逆变的特性而且看起来像逆变，具体分析后文会给出

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2.2 Java中的逆变与协变

在JAVA中，

List<Integer> b = new ArrayList<Integer>()
List<NumFber> a = b;

是无法通过编译器检查的。不允许这样做有一个很充分的理由：这样做将破坏要泛型的类型安全。如果能够将List<Integer> 赋给List<Number>。那么下面的代码就允许将非Integer的内容放入 List<Integer>：

List<Integer> b = new ArrayList<Integer>(); 
List<Number> a = b; // illegal 
a.add(new Float(3.1415));

因为a是List<Number>，所以向其添加Float似乎是完全可行的。但是如果a实际是List<Integer>，那么这就破坏了蕴含在b中定义的类型声明 —— 它是一个整数列表，这就是泛型类型不能协变的原因。但也因此使得泛型失去了多态的拓展性。

2.3 通配符解决协变

Java官方通过加入了通配符?来解决泛型协变的问题。这样就能通过编译了：

List<Integer> b = new ArrayList<Integer>(); 
List<? extends Number> a = b;

可以解读为a是一种带有Number的List集合类，在从a中取出数据的时候统一当做Number处理就行了。同时这也是符合里氏替换原则的

但是编译器会禁止你将将类Integer放入a,即a.add(new Integer(1))//illegal
这也很合理，因为你声明的a本来就没有限定a包含的具体是哪个Number子类，因此不准任何变量的添加保证了泛型的安全性。
解决往a添加对象的方法也很简单

List<Object> b = new ArrayList<Object>(); 
List<? super Number> a = b;

a是某种Number父类的List集合类，将ArrayList<Object>赋给a也是合情合理的，Object确实是Number的父类。这也符合里氏替换原则的

(网上大部分博文说这就是逆变,但是仔细想想逆变的官方定义，在JAVA中可以理解为：类T是类S的子类，而类A<T>是类A<S>的父类。仔细看看List<? super Number>和List<Object>的关系，在这里T是Number,而S是Object，但是List<? super Number>从逻辑上来看真的是List<Object>的子类吗，如果单纯从字面上来看List<? super Number>是带有Number父类的集合类,根据保留上界的擦除方法，应该擦除为List<Object>,将一个List<Object>赋给另一个List<Object>是不存在任何逆变的。我在疑惑之下去谷歌查阅了资料，也没有英文资料说明JAVA泛型里这属于逆变)