Java泛型详解
引言
Java泛型是jdk1.5中引入的一个新特性，泛型提供了编译时的类型检测机制，该机制容许程序员在编译时检测到非法的类型。 泛型是Java中一个很是重要的知识点，在Java集合类框架中泛型被普遍应用。本文咱们将从零开始来看一下Java泛型的设计，将会涉及到通配符处理，以及让人苦恼的类型擦除。java
泛型基础
泛型类程序员
咱们首先定义一个简单的Box类：设计模式
public class Box {
private String object;
public void set(String object) { this.object = object; }
public String get() { return object; }
}
这是最多见的作法，这样作的一个坏处是Box里面如今只能装入String类型的元素，从此若是咱们须要装入Integer等其余类型的元素，还必需要另外重写一个Box，代码得不到复用，使用泛型能够很好的解决这个问题。数组
public class Box<T> {
// T stands for "Type"
private T t;
public void set(T t) { this.t = t; }
public T get() { return t; }
}
这样咱们的Box类即可以获得复用，咱们能够将T替换成任何咱们想要的类型：微信
Box<Integer> integerBox = new Box<Integer>(); Box<Double> doubleBox = new Box<Double>(); Box<String> stringBox = new Box<String>();
泛型方法app
看完了泛型类，接下来咱们来了解一下泛型方法。声明一个泛型方法很简单，只要在返回类型前面加上一个相似<K, V>的形式就好了：框架
public class Util {
public static <K, V> boolean compare(Pair<K, V> p1, Pair<K, V> p2) {
return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
p1.getValue().equals(p2.getValue());
}
}
public class Pair<K, V> {
private K key;
private V value;
public Pair(K key, V value) {
this.key = key;
this.value = value;
}
public void setKey(K key) { this.key = key; }
public void setValue(V value) { this.value = value; }
public K getKey() { return key; }
public V getValue() { return value; }
}
咱们能够像下面这样去调用泛型方法：ui
Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple"); Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear"); boolean same = Util.<Integer, String>compare(p1, p2);
或者在Java1.7/1.8利用type inference，让Java自动推导出相应的类型参数：this
Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple"); Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear"); boolean same = Util.compare(p1, p2);
边界符spa
如今咱们要实现这样一个功能，查找一个泛型数组中大于某个特定元素的个数，咱们能够这样实现：
public static <T> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
int count = 0;
for (T e : anArray)
if (e > elem) // compiler error
++count;
return count;
}
可是这样很明显是错误的，由于除了short, int, double, long, float, byte, char等原始类型，其余的类并不必定能使用操做符>，因此编译器报错，那怎么解决这个问题呢？答案是使用边界符。
public interface Comparable<T> {
public int compareTo(T o);
}
作一个相似于下面这样的声明，这样就等于告诉编译器类型参数T表明的都是实现了Comparable接口的类，这样等于告诉编译器它们都至少实现了compareTo方法。
public static <T extends Comparable<T>> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
int count = 0;
for (T e : anArray)
if (e.compareTo(elem) > 0)
++count;
return count;
}
通配符
在了解通配符以前，咱们首先必需要澄清一个概念，仍是借用咱们上面定义的Box类，假设咱们添加一个这样的方法：
public void boxTest(Box<Number> n) { /* ... */ }
那么如今Box<Number> n容许接受什么类型的参数？咱们是否可以传入Box<Integer>或者Box<Double>呢？答案是否认的，虽然Integer和Double是Number的子类，可是在泛型中Box<Integer>或者Box<Double>与Box<Number>之间并无任何的关系。这一点很是重要，接下来咱们经过一个完整的例子来加深一下理解。
首先咱们先定义几个简单的类，下面咱们将用到它：
class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}
class Orange extends Fruit {}
下面这个例子中，咱们建立了一个泛型类Reader，而后在f1()中当咱们尝试Fruit f = fruitReader.readExact(apples);编译器会报错，由于List<Fruit>与List<Apple>之间并无任何的关系。
public class GenericReading {
static List<Apple> apples = Arrays.asList(new Apple());
static List<Fruit> fruit = Arrays.asList(new Fruit());
static class Reader<T> {
T readExact(List<T> list) {
return list.get(0);
}
}
static void f1() {
Reader<Fruit> fruitReader = new Reader<Fruit>();
// Errors: List<Fruit> cannot be applied to List<Apple>.
// Fruit f = fruitReader.readExact(apples);
}
public static void main(String[] args) {
f1();
}
}
可是按照咱们一般的思惟习惯，Apple和Fruit之间确定是存在联系，然而编译器却没法识别，那怎么在泛型代码中解决这个问题呢？咱们能够经过使用通配符来解决这个问题：
static class CovariantReader<T> {
T readCovariant(List<? extends T> list) {
return list.get(0);
}
}
static void f2() {
CovariantReader<Fruit> fruitReader = new CovariantReader<Fruit>();
Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);
Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);
}
public static void main(String[] args) {
f2();
}
这样就至关与告诉编译器， fruitReader的readCovariant方法接受的参数只要是知足Fruit的子类就行(包括Fruit自身)，这样子类和父类之间的关系也就关联上了。
PECS原则
上面咱们看到了相似<? extends T>的用法，利用它咱们能够从list里面get元素，那么咱们可不能够往list里面add元素呢？咱们来尝试一下：
public class GenericsAndCovariance {
public static void main(String[] args) {
// Wildcards allow covariance:
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
// Compile Error: can't add any type of object:
// flist.add(new Apple())
// flist.add(new Orange())
// flist.add(new Fruit())
// flist.add(new Object())
flist.add(null); // Legal but uninteresting
// We Know that it returns at least Fruit:
Fruit f = flist.get(0);
}
}
答案是否认，Java编译器不容许咱们这样作，为何呢？对于这个问题咱们不妨从编译器的角度去考虑。由于List<? extends Fruit> flist它自身能够有多种含义：
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Fruit>(); List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>(); List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Orange>();
- 当咱们尝试add一个Apple的时候，flist可能指向
new ArrayList<Orange>(); - 当咱们尝试add一个Orange的时候，flist可能指向
new ArrayList<Apple>(); - 当咱们尝试add一个Fruit的时候，这个Fruit能够是任何类型的Fruit，而flist可能只想某种特定类型的Fruit，编译器没法识别因此会报错。
因此对于实现了<? extends T>的集合类只能将它视为Producer向外提供(get)元素，而不能做为Consumer来对外获取(add)元素。
若是咱们要add元素应该怎么作呢？可使用<? super T>：
public class GenericWriting {
static List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>();
static List<Fruit> fruit = new ArrayList<Fruit>();
static <T> void writeExact(List<T> list, T item) {
list.add(item);
}
static void f1() {
writeExact(apples, new Apple());
writeExact(fruit, new Apple());
}
static <T> void writeWithWildcard(List<? super T> list, T item) {
list.add(item)
}
static void f2() {
writeWithWildcard(apples, new Apple());
writeWithWildcard(fruit, new Apple());
}
public static void main(String[] args) {
f1(); f2();
}
}
这样咱们能够往容器里面添加元素了，可是使用super的坏处是之后不能get容器里面的元素了，缘由很简单，咱们继续从编译器的角度考虑这个问题，对于List<? super Apple> list，它能够有下面几种含义：
List<? super Apple> list = new ArrayList<Apple>(); List<? super Apple> list = new ArrayList<Fruit>(); List<? super Apple> list = new ArrayList<Object>();
当咱们尝试经过list来get一个Apple的时候，可能会get获得一个Fruit，这个Fruit能够是Orange等其余类型的Fruit。
根据上面的例子，咱们能够总结出一条规律，”Producer Extends, Consumer Super”：
- “Producer Extends” - 若是你须要一个只读List，用它来produce T，那么使用
? extends T。 - “Consumer Super” - 若是你须要一个只写List，用它来consume T，那么使用
? super T。 - 若是须要同时读取以及写入，那么咱们就不能使用通配符了。
如何阅读过一些Java集合类的源码，能够发现一般咱们会将二者结合起来一块儿用，好比像下面这样：
public class Collections {
public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
for (int i=0; i<src.size(); i++)
dest.set(i, src.get(i));
}
}
类型擦除
Java泛型中最使人苦恼的地方或许就是类型擦除了，特别是对于有C++经验的程序员。类型擦除就是说Java泛型只能用于在编译期间的静态类型检查，而后编译器生成的代码会擦除相应的类型信息，这样到了运行期间实际上JVM根本就知道泛型所表明的具体类型。这样作的目的是由于Java泛型是1.5以后才被引入的，为了保持向下的兼容性，因此只能作类型擦除来兼容之前的非泛型代码。对于这一点，若是阅读Java集合框架的源码，能够发现有些类其实并不支持泛型。
说了这么多，那么泛型擦除究竟是什么意思呢？咱们先来看一下下面这个简单的例子：
public class Node<T> {
private T data;
private Node<T> next;
public Node(T data, Node<T> next) }
this.data = data;
this.next = next;
}
public T getData() { return data; }
// ...
}
编译器作完相应的类型检查以后，实际上到了运行期间上面这段代码实际上将转换成：
public class Node {
private Object data;
private Node next;
public Node(Object data, Node next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public Object getData() { return data; }
// ...
}
这意味着无论咱们声明Node<String>仍是Node<Integer>，到了运行期间，JVM通通视为Node<Object>。有没有什么办法能够解决这个问题呢？这就须要咱们本身从新设置bounds了，将上面的代码修改为下面这样：
public class Node<T extends Comparable<T>> {
private T data;
private Node<T> next;
public Node(T data, Node<T> next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public T getData() { return data; }
// ...
}
这样编译器就会将T出现的地方替换成Comparable而再也不是默认的Object了：
public class Node {
private Comparable data;
private Node next;
public Node(Comparable data, Node next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public Comparable getData() { return data; }
// ...
}
上面的概念或许仍是比较好理解，但其实泛型擦除带来的问题远远不止这些，接下来咱们系统地来看一下类型擦除所带来的一些问题，有些问题在C++的泛型中可能不会碰见，可是在Java中却须要格外当心。
问题一
在Java中不容许建立泛型数组，相似下面这样的作法编译器会报错：
List<Integer>[] arrayOfLists = new List<Integer>[2]; // compile-time error
为何编译器不支持上面这样的作法呢？继续使用逆向思惟，咱们站在编译器的角度来考虑这个问题。
咱们先来看一下下面这个例子：
Object[] strings = new String[2]; strings[0] = "hi"; // OK strings[1] = 100; // An ArrayStoreException is thrown.
对于上面这段代码仍是很好理解，字符串数组不能存放整型元素，并且这样的错误每每要等到代码运行的时候才能发现，编译器是没法识别的。接下来咱们再来看一下假设Java支持泛型数组的建立会出现什么后果：
Object[] stringLists = new List<String>[]; // compiler error, but pretend it's allowed stringLists[0] = new ArrayList<String>(); // OK // An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can't detect it. stringLists[1] = new ArrayList<Integer>();
假设咱们支持泛型数组的建立，因为运行时期类型信息已经被擦除，JVM实际上根本就不知道new ArrayList<String>()和new ArrayList<Integer>()的区别。相似这样的错误假如出现才实际的应用场景中，将很是难以察觉。
若是你对上面这一点还抱有怀疑的话，能够尝试运行下面这段代码：
public class ErasedTypeEquivalence {
public static void main(String[] args) {
Class c1 = new ArrayList<String>().getClass();
Class c2 = new ArrayList<Integer>().getClass();
System.out.println(c1 == c2); // true
}
}
问题二
继续复用咱们上面的Node的类，对于泛型代码，Java编译器实际上还会偷偷帮咱们实现一个Bridge method。
public class Node<T> {
public T data;
public Node(T data) { this.data = data; }
public void setData(T data) {
System.out.println("Node.setData");
this.data = data;
}
}
public class MyNode extends Node<Integer> {
public MyNode(Integer data) { super(data); }
public void setData(Integer data) {
System.out.println("MyNode.setData");
super.setData(data);
}
}
看完上面的分析以后，你可能会认为在类型擦除后，编译器会将Node和MyNode变成下面这样：
public class Node {
public Object data;
public Node(Object data) { this.data = data; }
public void setData(Object data) {
System.out.println("Node.setData");
this.data = data;
}
}
public class MyNode extends Node {
public MyNode(Integer data) { super(data); }
public void setData(Integer data) {
System.out.println("MyNode.setData");
super.setData(data);
}
}
实际上不是这样的，咱们先来看一下下面这段代码，这段代码运行的时候会抛出ClassCastException异常，提示String没法转换成Integer：
MyNode mn = new MyNode(5);
Node n = mn; // A raw type - compiler throws an unchecked warning
n.setData("Hello"); // Causes a ClassCastException to be thrown.
// Integer x = mn.data;
若是按照咱们上面生成的代码，运行到第3行的时候不该该报错(注意我注释掉了第4行)，由于MyNode中不存在setData(String data)方法，因此只能调用父类Node的setData(Object data)方法，既然这样上面的第3行代码不该该报错，由于String固然能够转换成Object了，那ClassCastException究竟是怎么抛出的？
实际上Java编译器对上面代码自动还作了一个处理：
class MyNode extends Node {
// Bridge method generated by the compiler
public void setData(Object data) {
setData((Integer) data);
}
public void setData(Integer data) {
System.out.println("MyNode.setData");
super.setData(data);
}
// ...
}
这也就是为何上面会报错的缘由了，setData((Integer) data);的时候String没法转换成Integer。因此上面第2行编译器提示unchecked warning的时候，咱们不能选择忽略，否则要等到运行期间才能发现异常。若是咱们一开始加上Node<Integer> n = mn就行了，这样编译器就能够提早帮咱们发现错误。
问题三
正如咱们上面提到的，Java泛型很大程度上只能提供静态类型检查，而后类型的信息就会被擦除，因此像下面这样利用类型参数建立实例的作法编译器不会经过：
public static <E> void append(List<E> list) {
E elem = new E(); // compile-time error
list.add(elem);
}
可是若是某些场景咱们想要须要利用类型参数建立实例，咱们应该怎么作呢？能够利用反射解决这个问题：
public static <E> void append(List<E> list, Class<E> cls) throws Exception {
E elem = cls.newInstance(); // OK
list.add(elem);
}
咱们能够像下面这样调用：
List<String> ls = new ArrayList<>(); append(ls, String.class);
实际上对于上面这个问题，还能够采用Factory和Template两种设计模式解决，感兴趣的朋友不妨去看一下Thinking in Java中第15章中关于Creating instance of types(英文版第664页)的讲解，这里咱们就不深刻了。
问题四
咱们没法对泛型代码直接使用instanceof关键字，由于Java编译器在生成代码的时候会擦除全部相关泛型的类型信息，正如咱们上面验证过的JVM在运行时期没法识别出ArrayList<Integer>和ArrayList<String>的之间的区别：
public static <E> void rtti(List<E> list) {
if (list instanceof ArrayList<Integer>) { // compile-time error
// ...
}
}
=> { ArrayList<Integer>, ArrayList<String>, LinkedList<Character>, ... }
和上面同样，咱们可使用通配符从新设置bounds来解决这个问题：
public static void rtti(List<?> list) {
if (list instanceof ArrayList<?>) { // OK; instanceof requires a reifiable type
// ...
}
}
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