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Java 泛型详解

admin 2018年06月15日 编程语言 398 0

引言

泛型是Java中一个非常重要的知识点,在Java集合类框架中泛型被广泛应用。本文我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。

泛型基础

泛型类

我们首先定义一个简单的Box类:

public class Box { 
    private String object; 
    public void set(String object) { this.object = object; } 
    public String get() { return object; } 
}

这是最常见的做法,这样做的一个坏处是Box里面现在只能装入String类型的元素,今后如果我们需要装入Integer等其他类型的元素,还必须要另外重写一个Box,代码得不到复用,使用泛型可以很好的解决这个问题。

public class Box<T> { 
    // T stands for "Type" 
    private T t; 
    public void set(T t) { this.t = t; } 
    public T get() { return t; } 
}

这样我们的Box类便可以得到复用,我们可以将T替换成任何我们想要的类型:

Box<Integer> integerBox = new Box<Integer>(); 
Box<Double> doubleBox = new Box<Double>(); 
Box<String> stringBox = new Box<String>();

泛型方法

看完了泛型类,接下来我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类似<K, V>的形式就行了:

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; } 
}

我们可以像下面这样去调用泛型方法:

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:

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

现在我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,我们可以这样实现:

public static <T> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) { 
    int count = 0; 
    for (T e : anArray) 
        if (e > elem)  // compiler error 
            ++count; 
    return count; 
}

但是这样很明显是错误的,因为除了short, int, double, long, float, byte, char等原始类型,其他的类并不一定能使用操作符>,所以编译器报错,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); 
}

做一个类似于下面这样的声明,这样就等于告诉编译器类型参数T代表的都是实现了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

在了解通配符之前,我们首先必须要澄清一个概念,还是借用我们上面定义的Box类,假设我们添加一个这样的方法:

public void boxTest(Box<Number> n) { /* ... */ }

那么现在Box<Number> n允许接受什么类型的参数?我们是否能够传入Box<Integer>或者Box<Double>呢?答案是否定的,虽然Integer和Double是Number的子类,但是在泛型中Box<Integer>或者Box<Double>与Box<Number>之间并没有任何的关系。这一点非常重要,接下来我们通过一个完整的例子来加深一下理解。

首先我们先定义几个简单的类,下面我们将用到它:

class Fruit {} 
class Apple extends Fruit {} 
class Orange extends Fruit {}

下面这个例子中,我们创建了一个泛型类Reader,然后在f1()中当我们尝试Fruit f = fruitReader.readExact(apples);编译器会报错,因为List<Fruit>与List<Apple>之间并没有任何的关系。

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(); 
    } 
}

但是按照我们通常的思维习惯,Apple和Fruit之间肯定是存在联系,然而编译器却无法识别,那怎么在泛型代码中解决这个问题呢?我们可以通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(); 
}

这样就相当与告诉编译器, fruitReader的readCovariant方法接受的参数只要是满足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

上面我们看到了类似<? extends T>的用法,利用它我们可以从list里面get元素,那么我们可不可以往list里面add元素呢?我们来尝试一下:

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); 
    } 
}

答案是否定,Java编译器不允许我们这样做,为什么呢?对于这个问题我们不妨从编译器的角度去考虑。因为List<? extends Fruit> flist它自身可以有多种含义:

List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Fruit>(); 
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>(); 
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Orange>();
  • 当我们尝试add一个Apple的时候,flist可能指向new ArrayList<Orange>();
  • 当我们尝试add一个Orange的时候,flist可能指向new ArrayList<Apple>();
  • 当我们尝试add一个Fruit的时候,这个Fruit可以是任何类型的Fruit,而flist可能只想某种特定类型的Fruit,编译器无法识别所以会报错。

所以对于实现了<? extends T>的集合类只能将它视为Producer向外提供(get)元素,而不能作为Consumer来对外获取(add)元素。

如果我们要add元素应该怎么做呢?可以使用<? 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(); 
    } 
}

这样我们可以往容器里面添加元素了,但是使用super的坏处是以后不能get容器里面的元素了,原因很简单,我们继续从编译器的角度考虑这个问题,对于List<? super Apple> list,它可以有下面几种含义:

List<? super Apple> list = new ArrayList<Apple>(); 
List<? super Apple> list = new ArrayList<Fruit>(); 
List<? super Apple> list = new ArrayList<Object>();

当我们尝试通过list来get一个Apple的时候,可能会get得到一个Fruit,这个Fruit可以是Orange等其他类型的Fruit。

根据上面的例子,我们可以总结出一条规律,”Producer Extends, Consumer Super”:

  • “Producer Extends” – 如果你需要一个只读List,用它来produce T,那么使用? extends T。
  • “Consumer Super” – 如果你需要一个只写List,用它来consume T,那么使用? super T。
  • 如果需要同时读取以及写入,那么我们就不能使用通配符了。

如何阅读过一些Java集合类的源码,可以发现通常我们会将两者结合起来一起用,比如像下面这样:

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泛型中最令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,然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根本就知道泛型所代表的具体类型。这样做的目的是因为Java泛型是1.5之后才被引入的,为了保持向下的兼容性,所以只能做类型擦除来兼容以前的非泛型代码。对于这一点,如果阅读Java集合框架的源码,可以发现有些类其实并不支持泛型。

说了这么多,那么泛型擦除到底是什么意思呢?我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; } 
    // ... 
}

编译器做完相应的类型检查之后,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; } 
    // ... 
}

这意味着不管我们声明Node<String>还是Node<Integer>,到了运行期间,JVM统统视为Node<Object>。有没有什么办法可以解决这个问题呢?这就需要我们自己重新设置bounds了,将上面的代码修改成下面这样:

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而不再是默认的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; } 
    // ... 
}

上面的概念或许还是比较好理解,但其实泛型擦除带来的问题远远不止这些,接下来我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++的泛型中可能不会遇见,但是在Java中却需要格外小心。

问题一

在Java中不允许创建泛型数组,类似下面这样的做法编译器会报错:

List<Integer>[] arrayOfLists = new List<Integer>[2];  // compile-time error

为什么编译器不支持上面这样的做法呢?继续使用逆向思维,我们站在编译器的角度来考虑这个问题。

我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.

对于上面这段代码还是很好理解,字符串数组不能存放整型元素,而且这样的错误往往要等到代码运行的时候才能发现,编译器是无法识别的。接下来我们再来看一下假设Java支持泛型数组的创建会出现什么后果:

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>();

假设我们支持泛型数组的创建,由于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。类似这样的错误假如出现才实际的应用场景中,将非常难以察觉。

如果你对上面这一点还抱有怀疑的话,可以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

继续复用我们上面的Node的类,对于泛型代码,Java编译器实际上还会偷偷帮我们实现一个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); 
    } 
}

看完上面的分析之后,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,我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无法转换成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;

如果按照我们上面生成的代码,运行到第3行的时候不应该报错(注意我注释掉了第4行),因为MyNode中不存在setData(String data)方法,所以只能调用父类Node的setData(Object data)方法,既然这样上面的第3行代码不应该报错,因为String当然可以转换成Object了,那ClassCastException到底是怎么抛出的?

实际上Java编译器对上面代码自动还做了一个处理:

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); 
    } 
    // ... 
}

这也就是为什么上面会报错的原因了,setData((Integer) data);的时候String无法转换成Integer。所以上面第2行编译器提示unchecked warning的时候,我们不能选择忽略,不然要等到运行期间才能发现异常。如果我们一开始加上Node<Integer> n = mn就好了,这样编译器就可以提前帮我们发现错误。

问题三

正如我们上面提到的,Java泛型很大程度上只能提供静态类型检查,然后类型的信息就会被擦除,所以像下面这样利用类型参数创建实例的做法编译器不会通过:

public static <E> void append(List<E> list) { 
    E elem = new E();  // compile-time error 
    list.add(elem); 
}

但是如果某些场景我们想要需要利用类型参数创建实例,我们应该怎么做呢?可以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); 
}

我们可以像下面这样调用:

List<String> ls = new ArrayList<>(); 
append(ls, String.class);

实际上对于上面这个问题,还可以采用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,这里我们就不深入了。

问题四

我们无法对泛型代码直接使用instanceof关键字,因为Java编译器在生成代码的时候会擦除所有相关泛型的类型信息,正如我们上面验证过的JVM在运行时期无法识别出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>, ... }

和上面一样,我们可以使用通配符重新设置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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