计算机程序的思维逻辑 (37) - 泛型 (下) - 细节和局限性

Posted 2020-08-09 老马说编程

35节介绍了泛型的基本概念和原理，上节介绍了泛型中的通配符，本节来介绍泛型中的一些细节和局限性。

这些局限性主要与Java的实现机制有关，Java中，泛型是通过类型擦除来实现的，类型参数在编译时会被替换为Object，运行时Java虚拟机不知道泛型这回事，这带来了很多局限性，其中有的部分是比较容易理解的，有的则是非常违反直觉的。

一项技术，往往只有理解了其局限性，我们才算是真正理解了它，才能更好的应用它。

下面，我们将从以下几个方面来介绍这些细节和局限性：

• 使用泛型类、方法和接口
• 定义泛型类、方法和接口
• 泛型与数组

使用泛型类、方法和接口

在使用泛型类、方法和接口时，有一些值得注意的地方，比如：

• 基本类型不能用于实例化类型参数
• 运行时类型信息不适用于泛型
• 类型擦除可能会引发一些冲突

我们逐个来看下。

基本类型不能用于实例化类型参数

Java中，因为类型参数会被替换为Object，所以Java泛型中不能使用基本数据类型，也就是说，类似下面写法是不合法的：

Pair<int> minmax = new Pair<int>(1,100);

解决方法就是使用基本类型对应的包装类。

运行时类型信息不适用于泛型

在介绍继承的实现原理时，我们提到，在内存中，每个类都有一份类型信息，而每个对象也都保存着其对应类型信息的引用。关于运行时信息，后续文章我们会进一步详细介绍，这里简要说明一下。

在Java中，这个类型信息也是一个对象，它的类型为Class，Class本身也是一个泛型类，每个类的类型对象可以通过<类名>.class的方式引用，比如String.class，Integer.class。

这个类型对象也可以通过对象的getClass()方法获得，比如：

Class<?> cls = "hello".getClass();

这个类型对象只有一份，与泛型无关，所以Java不支持类似如下写法：

Pair<Integer>.class

一个泛型对象的getClass方法的返回值与原始类型对象也是相同的，比如说，下面代码的输出都是true：

Pair<Integer> p1 = new Pair<Integer>(1,100);
Pair<String> p2 = new Pair<String>("hello","world");
System.out.println(Pair.class==p1.getClass());
System.out.println(Pair.class==p2.getClass());

在第16节，我们介绍过instanceof关键字，instanceof后面是接口或类名，instanceof是运行时判断，也与泛型无关，所以，Java也不支持类似如下写法：

if(p1 instanceof Pair<Integer>)

不过，Java支持这么写：

if(p1 instanceof Pair<?>)

类型擦除可能会引发一些冲突

由于类型擦除，可能会引发一些编译冲突，这些冲突初看上去并不容易理解，我们通过一些例子看一下。

上节我们介绍过一个例子，有两个类Base和Child，Base的声明为：

class Base implements Comparable<Base>

Child的声明为：

class Child extends Base

Child没有专门实现Comparable接口，上节我们说Base类已经有了比较所需的全部信息，所以Child没有必要实现，可是如果Child希望自定义这个比较方法呢？直觉上，可以这样修改Child类：

class Child extends Base implements Comparable<Child>{
    @Override
    public int compareTo(Child o) {
        
    }
    //...
}

遗憾的是，Java编译器会提示错误，Comparable接口不能被实现两次，且两次实现的类型参数还不同，一次是Comparable<Base>，一次是Comparable<Child>。为什么不允许呢？因为类型擦除后，实际上只能有一个。

那Child有什么办法修改比较方法呢？只能是重写Base类的实现，如下所示：

class Child extends Base {
    @Override
    public int compareTo(Base o) {
        if(!(o instanceof Child)){
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        Child c = (Child)o;
        //...
        return 0;
    }
    //...
}

还有，你可能认为可以这么定义重载方法：

public static void test(DynamicArray<Integer> intArr)
public static void test(DynamicArray<String> strArr)

虽然参数都是DynamicArray，但实例化类型不同，一个是DynamicArray<Integer>，另一个是DynamicArray<String>，同样，遗憾的是，Java不允许这种写法，理由同样是，类型擦除后，它们的声明是一样的。

定义泛型类、方法和接口

在定义泛型类、方法和接口时，也有一些需要注意的地方，比如：

• 不能通过类型参数创建对象
• 泛型类类型参数不能用于静态变量和方法
• 了解多个类型限定的语法 

我们逐个来看下。

不能通过类型参数创建对象

不能通过类型参数创建对象，比如，T是类型参数，下面写法都是非法的：

T elm = new T();
T[] arr = new T[10];

为什么非法呢？因为如果允许，那你以为创建的就是对应类型的对象，但由于类型擦除，Java只能创建Object类型的对象，而无法创建T类型的对象，容易引起误解，所以Java干脆禁止这么做。

那如果确实希望根据类型创建对象呢？需要设计API接受类型对象，即Class对象，并使用Java中的反射机制，后续文章我们再详细介绍反射，这里简要说明一下，如果类型有默认构造方法，可以调用Class的newInstance方法构建对象，类似这样：

public static <T> T create(Class<T> type){
    try {
        return type.newInstance();
    } catch (Exception e) {
        return null;
    }
}

比如：

Date date = create(Date.class);
StringBuilder sb = create(StringBuilder.class);

泛型类类型参数不能用于静态变量和方法

对于泛型类声明的类型参数，可以在实例变量和方法中使用，但在静态变量和静态方法中是不能使用的。类似下面这种写法是非法的：

public class Singleton<T> {

    private static T instance;
    
    public synchronized static T getInstance(){
        if(instance==null){
             // 创建实例
        }
        return instance;
    }
}    

如果合法的话，那么对于每种实例化类型，都需要有一个对应的静态变量和方法。但由于类型擦除，Singleton类型只有一份，静态变量和方法都是类型的属性，且与类型参数无关，所以不能使用泛型类类型参数。

不过，对于静态方法，它可以是泛型方法，可以声明自己的类型参数，这个参数与泛型类的类型参数是没有关系的。

了解多个类型限定的语法

之前介绍类型参数限定的时候，我们介绍，上界可以为某个类、某个接口或者其他类型参数，但上界都是只有一个，Java中还支持多个上界，多个上界之间以&分隔，类似这样：

T extends Base & Comparable & Serializable

Base为上界类，Comparable和Serializable为上界接口，如果有上界类，类应该放在第一个，类型擦除时，会用第一个上界替换。

泛型与数组

泛型与数组的关系稍微复杂一些，我们单独讨论一下。

为什么不能创建泛型数组?

引入泛型后，一个令人惊讶的事实是，你不能创建泛型数组。比如说，我们可能想这样创建一个Pair的泛型数组，以表示随机一节中介绍的奖励面额和权重。

Pair<Object,Integer>[] options = new Pair<Object,Integer>[]{
        new Pair("1元",7),
        new Pair("2元", 2),
        new Pair("10元", 1)
};

Java会提示编译错误，不能创建泛型数组。这是为什么呢？我们先来进一步理解一下数组。

前面我们解释过，类型参数之间有继承关系的容器之间是没有关系的，比如，一个DynamicArray<Integer>对象不能赋值给一个DynamicArray<Number>变量。不过，数组是可以的，看代码：

Integer[] ints = new Integer[10];
Number[] numbers = ints;
Object[] objs = ints;

后面两种赋值都是允许的。数组为什么可以呢？数组是Java直接支持的概念，它知道数组元素的实际类型，它知道Object和Number都是Integer的父类型，所以这个操作是允许的。

虽然Java允许这种转换，但如果使用不当，可能会引起运行时异常，比如：

Integer[] ints = new Integer[10];
Object[] objs = ints;
objs[0] = "hello";

编译是没有问题的，运行时会抛出ArrayStoreException，因为Java知道实际的类型是Integer，所以写入String会抛出异常。

理解了数组的这个行为，我们再来看泛型数组。如果Java允许创建泛型数组，则会发生非常严重的问题，我们看看具体会发生什么：

Pair<Object,Integer>[] options = new Pair<Object,Integer>[3];
Object[] objs = options;
objs[0] = new Pair<Double,String>(12.34,"hello");

如果可以创建泛型数组options，那它就可以赋值给其他类型的数组objs，而最后一行明显错误的赋值操作，则既不会引起编译错误，也不会触发运行时异常，因为Pair<Double,String>的运行时类型是Pair，和objs的运行时类型Pair[]是匹配的。但我们知道，它的实际类型是不匹配的，在程序的其他地方，当把objs[0]当做Pair<Object,Integer>进行处理的时候，一定会触发异常。

也就是说，如果允许创建泛型数组，那就可能会有上面这种错误操作，它既不会引起编译错误，也不会立即触发运行时异常，却相当于埋下了一颗炸弹，不定什么时候爆发，为避免这种情况，Java干脆就禁止创建泛型数组。

如何存放泛型对象?

但，现实需要能够存放泛型对象的容器啊，怎么办呢？可以使用原始类型的数组，比如：

Pair[] options = new Pair[]{
      new Pair<String,Integer>("1元",7),
      new Pair<String,Integer>("2元", 2),
      new Pair<String,Integer>("10元", 1)};

更好的选择是，使用后续章节介绍的泛型容器。目前，可以使用我们自己实现的DynamicArray，比如：

DynamicArray<Pair<String,Integer>> options = new DynamicArray<>();
options.add(new Pair<String,Integer>("1元",7));
options.add(new Pair<String,Integer>("2元",2));
options.add(new Pair<String,Integer>("10元",1));

DynamicArray内部的数组为Object类型，一些操作插入了强制类型转换，外部接口是类型安全的，对数组的访问都是内部代码，可以避免误用和类型异常。

如何转换容器为数组?

有时，我们希望转换泛型容器为一个数组，比如说，对于DynamicArray，我们可能希望它有这么一个方法：

public E[] toArray()

而我们希望可以这么用：

DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<Integer>();
ints.add(100);
ints.add(34);
Integer[] arr = ints.toArray();

先使用动态容器收集一些数据，然后转换为一个固定数组，这也是一个常见合理的需求，怎么来实现这个toArray方法呢？

可能想先这样：

E[] arr = new E[size];

遗憾的是，如之前所述，这是不合法的。Java运行时根本不知道E是什么，也就无法做到创建E类型的数组。

另一种想法是这样：

public E[] toArray(){
    Object[] copy = new Object[size];
    System.arraycopy(elementData, 0, copy, 0, size);
    return (E[])copy;
}

或者使用之前介绍的Arrays方法：

public E[] toArray(){
    return (E[])Arrays.copyOf(elementData, size);
}

结果都是一样的，没有编译错误了，但运行时，会抛出ClassCastException异常，原因是，Object类型的数组不能转换为Integer类型的数组。

那怎么办呢？可以利用Java中的运行时类型信息和反射机制，这些概念我们后续章节再介绍。这里，我们简要介绍下。

Java必须在运行时知道你要转换成的数组类型，类型可以作为参数传递给toArray方法，比如：

public E[] toArray(Class<E> type){
    Object copy = Array.newInstance(type, size);
    System.arraycopy(elementData, 0, copy, 0, size);
    return (E[])copy;
}

Class<E>表示要转换成的数组类型信息，有了这个类型信息，Array类的newInstance方法就可以创建出真正类型的数组对象。

调用toArray方法时，需要传递需要的类型，比如，可以这样：

Integer[] arr = ints.toArray(Integer.class);

泛型与数组小结

我们来稍微总结下泛型与数组的关系：

• Java不支持创建泛型数组。
• 如果要存放泛型对象，可以使用原始类型的数组，或者使用泛型容器。
• 泛型容器内部使用Object数组，如果要转换泛型容器为对应类型的数组，需要使用反射。

小结

本节介绍了泛型的一些细节和局限性，这些局限性主要是由于Java泛型的实现机制引起的，这些局限性包括，不能使用基本类型，没有运行时类型信息，类型擦除会引发一些冲突，不能通过类型参数创建对象，不能用于静态变量等，我们还单独讨论了泛型与数组的关系。

我们需要理解这些局限性，但，幸运的是，一般并不需要特别去记忆，因为用错的时候，Java开发环境和编译器会提示你，当被提示时，你需要能够理解，并可以从容应对。

至此，关于泛型的介绍就结束了，泛型是Java容器类的基础，理解了泛型，接下来，就让我们开始探索Java中的容器类。

 

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