Java 理论和实践: 了解泛型

简介： JDK 5.0 中增长的泛型类型，是 Java 语言中类型安全的一次重要改进。可是，对于初次使用泛型类型的用户来讲，泛型的某些方面看起来可能不容易明白，甚至很是奇怪。在本月的“Java 理论和实践”中，Brian Goetz 分析了束缚第一次使用泛型的用户的常见陷阱。您能够经过 讨论论坛与做者和其余读者分享您对本文的见解。（也能够单击本文顶端或底端的 讨论来访问这个论坛。）

表面上看起来，不管语法仍是应用的环境（好比容器类），泛型类型（或者泛型）都相似于 C++ 中的模板。可是这种类似性仅限于表面，Java 语言中的泛型基本上彻底在编译器中实现，由编译器执行类型检查和类型推断，而后生成普通的非泛型的字节码。这种实现技术称为 擦除（erasure）（编译器使用泛型类型信息保证类型安全，而后在生成字节码以前将其清除），这项技术有一些奇怪，而且有时会带来一些使人迷惑的后果。虽然范型是 Java 类走向类型安全的一大步，可是在学习使用泛型的过程当中几乎确定会遇到头痛（有时候让人没法忍受）的问题。

注意：本文假设您对 JDK 5.0 中的范型有基本的了解。

泛型不是协变的

虽然将集合看做是数组的抽象会有所帮助，可是数组还有一些集合不具有的特殊性质。Java 语言中的数组是协变的（covariant），也就是说，若是 Integer扩展了 Number（事实也是如此），那么不只 Integer是 Number，并且 Integer[]也是 Number[]，在要求Number[]的地方彻底能够传递或者赋予 Integer[]。（更正式地说，若是 Number是 Integer的超类型，那么 Number[]也是Integer[]的超类型）。您也许认为这一原理一样适用于泛型类型 —— List<Number>是 List<Integer>的超类型，那么能够在须要List<Number>的地方传递 List<Integer>。不幸的是，状况并不是如此。

不容许这样作有一个很充分的理由：这样作将破坏要提供的类型安全泛型。若是可以将 List<Integer>赋给 List<Number>。那么下面的代码就容许将非 Integer的内容放入 List<Integer>：

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

由于 ln是 List<Number>，因此向其添加 Float彷佛是彻底合法的。可是若是 ln是 li的别名，那么这就破坏了蕴含在 li定义中的类型安全承诺 —— 它是一个整数列表，这就是泛型类型不能协变的缘由。

其余的协变问题

数组可以协变而泛型不能协变的另外一个后果是，不能实例化泛型类型的数组（new List<String>[3]是不合法的），除非类型参数是一个未绑定的通配符（new List<?>[3]是合法的）。让咱们看看若是容许声明泛型类型数组会形成什么后果：

List<String>[] lsa = new List<String>[10]; // illegal Object[] oa = lsa; // OK because List<String> is a subtype of Object List<Integer> li = new ArrayList<Integer>(); li.add(new Integer(3)); oa[0] = li; String s = lsa[0].get(0);

最后一行将抛出 ClassCastException，由于这样将把 List<Integer>填入本应是 List<String>的位置。由于数组协变会破坏泛型的类型安全，因此不容许实例化泛型类型的数组（除非类型参数是未绑定的通配符，好比 List<?>）。

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构造延迟

由于能够擦除功能，因此 List<Integer>和 List<String>是同一个类，编译器在编译 List<V>时只生成一个类（和 C++ 不一样）。所以，在编译 List<V>类时，编译器不知道 V所表示的类型，因此它就不能像知道类所表示的具体类型那样处理 List<V>类定义中的类型参数（List<V>中的 V）。

由于运行时不能区分 List<String>和 List<Integer>（运行时都是 List），用泛型类型参数标识类型的变量的构造就成了问题。运行时缺少类型信息，这给泛型容器类和但愿建立保护性副本的泛型类提出了难题。

好比泛型类 Foo：

class Foo<T> { public void doSomething(T param) { ... } }

假设 doSomething()方法但愿复制输入的 param参数，会怎么样呢？没有多少选择。您可能但愿按如下方式实现 doSomething()：

public void doSomething(T param) { T copy = new T(param); // illegal }

可是您不能使用类型参数访问构造函数，由于在编译的时候还不知道要构造什么类，所以也就不知道使用什么构造函数。使用泛型不能表达“T必须拥有一个拷贝构造函数（copy constructor）”（甚至一个无参数的构造函数）这类约束，所以不能使用泛型类型参数所表示的类的构造函数。

clone()怎么样呢？假设在 Foo的定义中，T扩展了 Cloneable：

class Foo<T extends Cloneable> { public void doSomething(T param) { T copy = (T) param.clone(); // illegal } }

不幸的是，仍然不能调用 param.clone()。为何呢？由于 clone()在 Object中是保护访问的，调用 clone()必须经过将 clone()改写公共访问的类引用来完成。可是从新声明 clone()为 public 并不知道 T，所以克隆也无济于事。

构造通配符引用

所以，不能复制在编译时根本不知道是什么类的类型引用。那么使用通配符类型怎么样？假设要建立类型为 Set<?>的参数的保护性副本。您知道 Set有一个拷贝构造函数。并且别人可能曾经告诉过您，若是不知道要设置的内容的类型，最好使用 Set<?>代替原始类型的 Set，由于这种方法引发的未检查类型转换警告更少。因而，能够试着这样写：

class Foo { public void doSomething(Set<?> set) { Set<?> copy = new HashSet<?>(set); // illegal } }

不幸的是，您不能用通配符类型的参数调用泛型构造函数，即便知道存在这样的构造函数也不行。不过您能够这样作：

class Foo { public void doSomething(Set<?> set) { Set<?> copy = new HashSet<Object>(set); } }

这种构造不那么直观，但它是类型安全的，并且能够像 new HashSet<?>(set)那样工做。

构造数组

如何实现 ArrayList<V>？假设类 ArrayList管理一个 V数组，您可能但愿用 ArrayList<V>的构造函数建立一个 V数组：

class ArrayList<V> { private V[] backingArray; public ArrayList() { backingArray = new V[DEFAULT_SIZE]; // illegal } }

可是这段代码不能工做 —— 不能实例化用类型参数表示的类型数组。编译器不知道 V到底表示什么类型，所以不能实例化 V数组。

Collections 类经过一种别扭的方法绕过了这个问题，在 Collections 类编译时会产生类型未检查转换的警告。ArrayList具体实现的构造函数以下：

class ArrayList<V> { private V[] backingArray; public ArrayList() { backingArray = (V[]) new Object[DEFAULT_SIZE]; } }

为什么这些代码在访问 backingArray时没有产生 ArrayStoreException呢？不管如何，都不能将 Object数组赋给 String数组。由于泛型是经过擦除实现的，backingArray的类型实际上就是 Object[]，由于 Object代替了 V。这意味着：实际上这个类指望backingArray是一个 Object数组，可是编译器要进行额外的类型检查，以确保它包含 V类型的对象。因此这种方法很奏效，可是很是别扭，所以不值得效仿（甚至连泛型 Collections 框架的做者都这么说，请参阅 参考资料）。

还有一种方法就是声明 backingArray为 Object数组，并在使用它的各个地方强制将它转化为 V[]。仍然会看到类型未检查转换警告（与上一种方法同样），可是它使一些未明确的假设更清楚了（好比 backingArray不该逃避 ArrayList的实现）。

其余方法

最好的办法是向构造函数传递类文字（Foo.class），这样，该实现就能在运行时知道 T的值。不采用这种方法的缘由在于向后兼容性 —— 新的泛型集合类不能与 Collections 框架之前的版本兼容。

下面的代码中 ArrayList采用了如下方法：

public class ArrayList<V> implements List<V> { private V[] backingArray; private Class<V> elementType; public ArrayList(Class<V> elementType) { this.elementType = elementType; backingArray = (V[]) Array.newInstance(elementType, DEFAULT_LENGTH); } }

可是等一等！仍然有不妥的地方，调用 Array.newInstance()时会引发未经检查的类型转换。为何呢？一样是因为向后兼容性。Array.newInstance()的签名是：

public static Object newInstance(Class<?> componentType, int length)

而不是类型安全的：

public static<T> T[] newInstance(Class<T> componentType, int length)

为什么 Array用这种方式进行泛化呢？一样是为了保持向后兼容。要建立基本类型的数组，如 int[]，可使用适当的包装器类中的TYPE字段调用 Array.newInstance()（对于 int，能够传递 Integer.TYPE做为类文字）。用 Class<T>参数而不是 Class<?>泛化Array.newInstance()，对于引用类型有更好的类型安全，可是就不能使用 Array.newInstance()建立基本类型数组的实例了。也许未来会为引用类型提供新的 newInstance()版本，这样就二者兼顾了。

在这里能够看到一种模式 —— 与泛型有关的不少问题或者折衷并不是来自泛型自己，而是保持和已有代码兼容的要求带来的反作用。

泛化已有的类

在转化现有的库类来使用泛型方面没有多少技巧，但与日常的状况相同，向后兼容性不会凭空而来。我已经讨论了两个例子，其中向后兼容性限制了类库的泛化。

另外一种不一样的泛化方法可能不存在向后兼容问题，这就是 Collections.toArray(Object[])。传入 toArray()的数组有两个目的 —— 若是集合足够小，那么能够将其内容直接放在提供的数组中。不然，利用反射（reflection）建立相同类型的新数组来接受结果。若是从头开始重写 Collections 框架，那么极可能传递给 Collections.toArray()的参数不是一个数组，而是一个类文字：

interface Collection<E> { public T[] toArray(Class<T super E> elementClass); }

由于 Collections 框架做为良好类设计的例子被普遍效仿，可是它的设计受到向后兼容性约束，因此这些地方值得您注意，不要盲目效仿。

首先，经常被混淆的泛型 Collections API 的一个重要方面是 containsAll()、removeAll()和 retainAll()的签名。您可能认为remove()和 removeAll()的签名应该是：

interface Collection<E> { public boolean remove(E e); // not really public void removeAll(Collection<? extends E> c); // not really }

但实际上倒是：

interface Collection<E> { public boolean remove(Object o); public void removeAll(Collection<?> c); }

为何呢？答案一样是由于向后兼容性。x.remove(o)的接口代表“若是 o包含在 x中，则删除它，不然什么也不作。”若是 x是一个泛型集合，那么 o不必定与 x的类型参数兼容。若是 removeAll()被泛化为只有类型兼容时才能调用（Collection<? extends E>），那么在泛化以前，合法的代码序列就会变得不合法，好比：

// a collection of Integers Collection c = new HashSet(); // a collection of Objects Collection r = new HashSet(); c.removeAll(r);

若是上述片断用直观的方法泛化（将 c设为 Collection<Integer>，r设为 Collection<Object>），若是 removeAll()的签名要求其参数为 Collection<? extends E>而不是 no-op，那么就没法编译上面的代码。泛型类库的一个主要目标就是不打破或者改变已有代码的语义，所以，必须用比从头从新设计泛型所使用类型约束更弱的类型约束来定义 remove()、removeAll()、retainAll()和containsAll()。

在泛型以前设计的类可能阻碍了“显然的”泛型化方法。这种状况下就要像上例这样进行折衷，可是若是从头设计新的泛型类，理解 Java 类库中的哪些东西是向后兼容的结果颇有意义，这样能够避免不适当的模仿。

擦除的实现

由于泛型基本上都是在 Java 编译器中而不是运行库中实现的，因此在生成字节码的时候，差很少全部关于泛型类型的类型信息都被“擦掉”了。换句话说，编译器生成的代码与您手工编写的不用泛型、检查程序的类型安全后进行强制类型转换所获得的代码基本相同。与 C++ 不一样，List<Integer>和 List<String>是同一个类（虽然是不一样的类型但都是 List<?>的子类型，与之前的版本相比，在 JDK 5.0 中这是一个更重要的区别）。

擦除意味着一个类不能同时实现 Comparable<String>和 Comparable<Number>，由于事实上二者都在同一个接口中，指定同一个compareTo()方法。声明 DecimalString类以便与 String与 Number比较彷佛是明智的，但对于 Java 编译器来讲，这至关于对同一个方法进行了两次声明：

public class DecimalString implements Comparable<Number>, Comparable<String> { ... } // nope

擦除的另外一个后果是，对泛型类型参数是用强制类型转换或者 instanceof毫无心义。下面的代码彻底不会改善代码的类型安全性：

public <T> T naiveCast(T t, Object o) { return (T) o; }

编译器仅仅发出一个类型未检查转换警告，由于它不知道这种转换是否安全。naiveCast()方法实际上根本不做任何转换，T直接被替换为 Object，与指望的相反，传入的对象被强制转换为 Object。

擦除也是形成上述构造问题的缘由，即不能建立泛型类型的对象，由于编译器不知道要调用什么构造函数。若是泛型类须要构造用泛型类型参数来指定类型的对象，那么构造函数应该接受类文字（Foo.class）并将它们保存起来，以便经过反射建立实例。

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结束语

泛型是 Java 语言走向类型安全的一大步，可是泛型设施的设计和类库的泛化并不是未通过妥协。扩展虚拟机指令集来支持泛型被认为是没法接受的，由于这会为 Java 厂商升级其 JVM 形成难以逾越的障碍。所以采用了能够彻底在编译器中实现的擦除方法。相似地，在泛型 Java 类库时，保持向后兼容也为类库的泛化方式设置了不少限制，产生了一些混乱的、使人沮丧的结构（如Array.newInstance()）。这并不是泛型自己的问题，而是与语言的演化与兼容有关。但这些也使得泛型学习和应用起来更让人迷惑，更加困难。

参考资料

• 参与论坛讨论。
  
  
• 您能够参阅本文在 developerWorks 全球站点上的 英文原文。
  
  
• 请参阅 Brian Goetz 撰写的 Java 理论和实践 系列的全部文章。
  
  
• Brian Goetz 撰写的“Introduction to generic types in JDK 5.0”（developerWorks，2004 年 12 月）更完整地介绍了泛型类型。
  
  
• Eric Allen 的系列文章“诊断 Java 代码：轻松掌握 Java 泛型” 描述了 Java 语言中对泛型函数支持的演化过程（developerWorks，2003 年 2 月到 5 月）。
  
  
• 泛型的规范（包括 Java 语言规范的修改）是由 Java Community Process 按照 JSR 14开发的。
  
  
• Angelika Langer 撰写了关于泛型的 FAQ。
  
  
• Gilad Bracha 是 Java 语言中对泛型类型支持的首席架构师，他曾撰写过一篇 泛型教程（PDF）。
  
  
• 在 developerWorks Java 技术专区能够找到数百篇 Java 技术参考资料。
  
  
• Developer Bookstore提供了完整的技术图书列表，其中包括数百本 有关 Java 的书籍。
  
  

关于做者

Brian Goetz 有超过 17 年的专业软件开发经验。他是 Quiotix 的首席顾问，这是一家位于加利福尼亚 Los Altos 的软件开发和咨询公司，他还参加了多个 JCP Expert Groups。请参阅 Brian 在主流专业出版物上已经发表或即将发表的文章。