java泛型（二）、泛型的內部原理：類型擦除以及類型擦除帶來的問題

時間 2019-12-13

標籤 java 內部原理類型擦除以及帶來問題欄目 Java 简体版

原文原文鏈接

參考：java核心技術

1、Java泛型的實現方法：類型擦除

前面已經說了，Java的泛型是僞泛型。爲何說Java的泛型是僞泛型呢？由於，在編譯期間，全部的泛型信息都會被擦除掉。正確理解泛型概念的首要前提是理解類型擦出（type erasure）。java

Java中的泛型基本上都是在編譯器這個層次來實現的。在生成的Java字節碼中是不包含泛型中的類型信息的。使用泛型的時候加上的類型參數，會在編譯器在編譯的時候去掉。這個過程就稱爲類型擦除。編程

如在代碼中定義的List<object>和List<String>等類型，在編譯後都會編程List。JVM看到的只是List，而由泛型附加的類型信息對JVM來講是不可見的。Java編譯器會在編譯時儘量的發現可能出錯的地方，可是仍然沒法避免在運行時刻出現類型轉換異常的狀況。類型擦除也是Java的泛型實現方法與C++模版機制實現方式之間的重要區別。數組

能夠經過兩個簡單的例子，來證實java泛型的類型擦除。安全

例一、eclipse

public class Test4 {
public static void main(String[] args) {
ArrayList<String> arrayList1=new ArrayList<String>();
arrayList1.add("abc");
ArrayList<Integer> arrayList2=new ArrayList<Integer>();
arrayList2.add(123);
System.out.println(arrayList1.getClass()==arrayList2.getClass());
}
}

在這個例子中，咱們定義了兩個ArrayList數組，不過一個是ArrayList<String>泛型類型，只能存儲字符串。一個是ArrayList<Integer>泛型類型，只能存儲整形。最後，咱們經過arrayList1對象和arrayList2對象的getClass方法獲取它們的類的信息，最後發現結果爲true。說明泛型類型String和Integer都被擦除掉了，只剩下了原始類型。ide

例二、測試

public class Test4 {
public static void main(String[] args) throws IllegalArgumentException, SecurityException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, NoSuchMethodException {
ArrayList<Integer> arrayList3=new ArrayList<Integer>();
arrayList3.add(1);//這樣調用add方法只能存儲整形，由於泛型類型的實例爲Integer
arrayList3.getClass().getMethod("add", Object.class).invoke(arrayList3, "asd");
for (int i=0;i<arrayList3.size();i++) {
System.out.println(arrayList3.get(i));
}
}

在程序中定義了一個ArrayList泛型類型實例化爲Integer的對象，若是直接調用add方法，那麼只能存儲整形的數據。不過當咱們利用反射調用add方法的時候，卻能夠存儲字符串。這說明了Integer泛型實例在編譯以後被擦除了，只保留了原始類型。this

2、類型擦除後保留的原始類型

在上面，兩次提到了原始類型，什麼是原始類型？原始類型（raw type）就是擦除去了泛型信息，最後在字節碼中的類型變量的真正類型。不管什麼時候定義一個泛型類型，相應的原始類型都會被自動地提供。類型變量被擦除（crased），並使用其限定類型（無限定的變量用Object）替換。spa

例3：.net

class Pair<T> {
private T value;
public T getValue() {
return value;
}
public void setValue(T value) {
this.value = value;
}
}

Pair<T>的原始類型爲：

class Pair {
private Object value;
public Object getValue() {
return value;
}
public void setValue(Object value) {
this.value = value;
}
}

由於在Pair<T>中，T是一個無限定的類型變量，因此用Object替換。其結果就是一個普通的類，如同泛型加入java變成語言以前已經實現的那樣。在程序中能夠包含不一樣類型的Pair，如Pair<String>或Pair<Integer>，可是，擦除類型後它們就成爲原始的Pair類型了，原始類型都是Object。

從上面的那個例2中，咱們也能夠明白ArrayList<Integer>被擦除類型後，原始類型也變成了Object，因此經過反射咱們就能夠存儲字符串了。

若是類型變量有限定，那麼原始類型就用第一個邊界的類型變量來替換。

好比Pair這樣聲明

例4：

public class Pair<T extends Comparable& Serializable> {

那麼原始類型就是Comparable

注意：

若是Pair這樣聲明public class Pair<T extends Serializable&Comparable> ，那麼原始類型就用Serializable替換，而編譯器在必要的時要向Comparable插入強制類型轉換。爲了提升效率，應該將標籤（tagging）接口（即沒有方法的接口）放在邊界限定列表的末尾。

要區分原始類型和泛型變量的類型

在調用泛型方法的時候，能夠指定泛型，也能夠不指定泛型。

在不指定泛型的狀況下，泛型變量的類型爲該方法中的幾種類型的同一個父類的最小級，直到Object。

在指定泛型的時候，該方法中的幾種類型必須是該泛型實例類型或者其子類。

public class Test2{
public static void main(String[] args) {
/**不指定泛型的時候*/
int i=Test2.add(1, 2); //這兩個參數都是Integer，因此T爲Integer類型
Number f=Test2.add(1, 1.2);//這兩個參數一個是Integer，以風格是Float，因此取同一父類的最小級，爲Number
Object o=Test2.add(1, "asd");//這兩個參數一個是Integer，以風格是Float，因此取同一父類的最小級，爲Object
/**指定泛型的時候*/
int a=Test2.<Integer>add(1, 2);//指定了Integer，因此只能爲Integer類型或者其子類
int b=Test2.<Integer>add(1, 2.2);//編譯錯誤，指定了Integer，不能爲Float
Number c=Test2.<Number>add(1, 2.2); //指定爲Number，因此能夠爲Integer和Float
}
//這是一個簡單的泛型方法
public static <T> T add(T x,T y){
return y;
}
}

其實在泛型類中，不指定泛型的時候，也差很少，只不過這個時候的泛型類型爲Object，就好比ArrayList中，若是不指定泛型，那麼這個ArrayList中能夠聽任意類型的對象。

舉例：

public static void main(String[] args) {
ArrayList arrayList=new ArrayList();
arrayList.add(1);
arrayList.add("121");
arrayList.add(new Date());
}

3、類型擦除引發的問題及解決方法

由於種種緣由，Java不能實現真正的泛型，只能使用類型擦除來實現僞泛型，這樣雖然不會有類型膨脹的問題，可是也引發了許多新的問題。因此，Sun對這些問題做出了許多限制，避免咱們犯各類錯誤。

一、先檢查，在編譯，以及檢查編譯的對象和引用傳遞的問題

既然說類型變量會在編譯的時候擦除掉，那爲何咱們往ArrayList<String> arrayList=new ArrayList<String>();所建立的數組列表arrayList中，不能使用add方法添加整形呢？不是說泛型變量Integer會在編譯時候擦除變爲原始類型Object嗎，爲何不能存別的類型呢？既然類型擦除了，如何保證咱們只能使用泛型變量限定的類型呢？

java是如何解決這個問題的呢？java編譯器是經過先檢查代碼中泛型的類型，而後再進行類型擦除，在進行編譯的。

舉個例子說明：

public static void main(String[] args) {
ArrayList<String> arrayList=new ArrayList<String>();
arrayList.add("123");
arrayList.add(123);//編譯錯誤
}

在上面的程序中，使用add方法添加一個整形，在eclipse中，直接就會報錯，說明這就是在編譯以前的檢查。由於若是是在編譯以後檢查，類型擦除後，原始類型爲Object，是應該運行任意引用類型的添加的。可實際上卻不是這樣，這偏偏說明了關於泛型變量的使用，是會在編譯以前檢查的。

那麼，這麼類型檢查是針對誰的呢？咱們先看看參數化類型與原始類型的兼容

以ArrayList舉例子，之前的寫法：

ArrayList arrayList=new ArrayList();

如今的寫法：

ArrayList<String> arrayList=new ArrayList<String>();

若是是與之前的代碼兼容，各類引用傳值之間，必然會出現以下的狀況：

ArrayList<String> arrayList1=new ArrayList(); //第一種狀況
ArrayList arrayList2=new ArrayList<String>();//第二種狀況

這樣是沒有錯誤的，不過會有個編譯時警告。

不過在第一種狀況，能夠實現與徹底使用泛型參數同樣的效果，第二種則徹底沒效果。

由於，原本類型檢查就是編譯時完成的。new ArrayList()只是在內存中開闢一個存儲空間，能夠存儲任何的類型對象。而真正涉及類型檢查的是它的引用，由於咱們是使用它引用arrayList1 來調用它的方法，好比說調用add()方法。因此arrayList1引用能完成泛型類型的檢查。

而引用arrayList2沒有使用泛型，因此不行。

舉例子：

public class Test10 {
public static void main(String[] args) {
//
ArrayList<String> arrayList1=new ArrayList();
arrayList1.add("1");//編譯經過
arrayList1.add(1);//編譯錯誤
String str1=arrayList1.get(0);//返回類型就是String
ArrayList arrayList2=new ArrayList<String>();
arrayList2.add("1");//編譯經過
arrayList2.add(1);//編譯經過
Object object=arrayList2.get(0);//返回類型就是Object
new ArrayList<String>().add("11");//編譯經過
new ArrayList<String>().add(22);//編譯錯誤
String string=new ArrayList<String>().get(0);//返回類型就是String
}
}

經過上面的例子，咱們能夠明白，類型檢查就是針對引用的，誰是一個引用，用這個引用調用泛型方法，就會對這個引用調用的方法進行類型檢測，而無關它真正引用的對象。

從這裏，咱們能夠再討論下泛型中參數化類型爲何不考慮繼承關係

在Java中，像下面形式的引用傳遞是不容許的：

ArrayList<String> arrayList1=new ArrayList<Object>();//編譯錯誤
ArrayList<Object> arrayList1=new ArrayList<String>();//編譯錯誤

咱們先看第一種狀況，將第一種狀況拓展成下面的形式：

ArrayList<Object> arrayList1=new ArrayList<Object>();
arrayList1.add(new Object());
arrayList1.add(new Object());
ArrayList<String> arrayList2=arrayList1;//編譯錯誤

實際上，在第4行代碼的時候，就會有編譯錯誤。那麼，咱們先假設它編譯沒錯。那麼當咱們使用arrayList2引用用get()方法取值的時候，返回的都是String類型的對象（上面提到了，類型檢測是根據引用來決定的。），但是它裏面實際上已經被咱們存放了Object類型的對象，這樣，就會有ClassCastException了。因此爲了不這種極易出現的錯誤，Java不容許進行這樣的引用傳遞。（這也是泛型出現的緣由，就是爲了解決類型轉換的問題，咱們不能違背它的初衷）。

在看第二種狀況，將第二種狀況拓展成下面的形式：

ArrayList<String> arrayList1=new ArrayList<String>();
arrayList1.add(new String());
arrayList1.add(new String());
ArrayList<Object> arrayList2=arrayList1;//編譯錯誤

沒錯，這樣的狀況比第一種狀況好的多，最起碼，在咱們用arrayList2取值的時候不會出現ClassCastException，由於是從String轉換爲Object。但是，這樣作有什麼意義呢，泛型出現的緣由，就是爲了解決類型轉換的問題。咱們使用了泛型，到頭來，仍是要本身強轉，違背了泛型設計的初衷。因此java不容許這麼幹。再說，你若是又用arrayList2往裏面add()新的對象，那麼到時候取得時候，我怎麼知道我取出來的究竟是String類型的，仍是Object類型的呢？

因此，要格外注意，泛型中的引用傳遞的問題。

二、自動類型轉換

由於類型擦除的問題，因此全部的泛型類型變量最後都會被替換爲原始類型。這樣就引發了一個問題，既然都被替換爲原始類型，那麼爲何咱們在獲取的時候，不須要進行強制類型轉換呢？看下ArrayList和get方法：

public E get(int index) {
RangeCheck(index);
return (E) elementData[index];
}

看以看到，在return以前，會根據泛型變量進行強轉。

寫了個簡單的測試代碼：

public class Test {
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Date> list=new ArrayList<Date>();
list.add(new Date());
Date myDate=list.get(0);
}

而後反編了下字節碼，以下

public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: new #16 // class java/util/ArrayList
3: dup
4: invokespecial #18 // Method java/util/ArrayList."<init
:()V
7: astore_1
8: aload_1
9: new #19 // class java/util/Date
12: dup
13: invokespecial #21 // Method java/util/Date."<init>":()
16: invokevirtual #22 // Method java/util/ArrayList.add:(L
va/lang/Object;)Z
19: pop
20: aload_1
21: iconst_0
22: invokevirtual #26 // Method java/util/ArrayList.get:(I
java/lang/Object;
25: checkcast #19 // class java/util/Date
28: astore_2
29: return

看第22 ，它調用的是ArrayList.get()方法，方法返回值是Object，說明類型擦除了。而後第25，它作了一個checkcast操做，即檢查類型#19，在在上面找#19引用的類型，他是
9: new #19 // class java/util/Date
是一個Date類型，即作Date類型的強轉。
因此不是在get方法裏強轉的，是在你調用的地方強轉的。

附關於checkcast的解釋：
checkcast checks that the top item on the operand stack (a reference to an object or array) can be cast to a given type. For example, if you write in Java:

return ((String)obj);

then the Java compiler will generate something like:

aload_1 ; push -obj- onto the stack
checkcast java/lang/String ; check its a String
areturn ; return it

checkcast is actually a shortand for writing Java code like:

if (! (obj == null || obj instanceof <class>)) {
throw new ClassCastException();
}
// if this point is reached, then object is either null, or an instance of
// <class> or one of its superclasses.

三、類型擦除與多態的衝突和解決方法

如今有這樣一個泛型類：

class Pair<T> {
private T value;
public T getValue() {
return value;
}
public void setValue(T value) {
this.value = value;
}
}

而後咱們想要一個子類繼承它

class DateInter extends Pair<Date> {
@Override
public void setValue(Date value) {
super.setValue(value);
}
@Override
public Date getValue() {
return super.getValue();
}
}

在這個子類中，咱們設定父類的泛型類型爲Pair<Date>，在子類中，咱們覆蓋了父類的兩個方法，咱們的原意是這樣的：

將父類的泛型類型限定爲Date，那麼父類裏面的兩個方法的參數都爲Date類型：「

public Date getValue() {
return value;
}
public void setValue(Date value) {
this.value = value;
}

因此，咱們在子類中重寫這兩個方法一點問題也沒有，實際上，從他們的@Override標籤中也能夠看到，一點問題也沒有，其實是這樣的嗎？

分析：

實際上，類型擦除後，父類的的泛型類型所有變爲了原始類型Object，因此父類編譯以後會變成下面的樣子：

class Pair {
private Object value;
public Object getValue() {
return value;
}
public void setValue(Object value) {
this.value = value;
}
}

再看子類的兩個重寫的方法的類型：

@Override
public void setValue(Date value) {
super.setValue(value);
}
@Override
public Date getValue() {
return super.getValue();
}

先來分析setValue方法，父類的類型是Object，而子類的類型是Date，參數類型不同，這若是實在普通的繼承關係中，根本就不會是重寫，而是重載。
咱們在一個main方法測試一下：

public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
DateInter dateInter=new DateInter();
dateInter.setValue(new Date());
dateInter.setValue(new Object());//編譯錯誤
}

若是是重載，那麼子類中兩個setValue方法，一個是參數Object類型，一個是Date類型，但是咱們發現，根本就沒有這樣的一個子類繼承自父類的Object類型參數的方法。因此說，倒是是重寫了，而不是重載了。

爲何會這樣呢？

緣由是這樣的，咱們傳入父類的泛型類型是Date，Pair<Date>，咱們的本意是將泛型類變爲以下：

class Pair {
private Date value;
public Date getValue() {
return value;
}
public void setValue(Date value) {
this.value = value;
}
}

而後再子類中重寫參數類型爲Date的那兩個方法，實現繼承中的多態。

但是因爲種種緣由，虛擬機並不能將泛型類型變爲Date，只能將類型擦除掉，變爲原始類型Object。這樣，咱們的本意是進行重寫，實現多態。但是類型擦除後，只能變爲了重載。這樣，類型擦除就和多態有了衝突。JVM知道你的本意嗎？知道！！！但是它能直接實現嗎，不能！！！若是真的不能的話，那咱們怎麼去重寫咱們想要的Date類型參數的方法啊。

因而JVM採用了一個特殊的方法，來完成這項功能，那就是橋方法。

首先，咱們用javap -c className的方式反編譯下DateInter子類的字節碼，結果以下：

class com.tao.test.DateInter extends com.tao.test.Pair<java.util.Date> {
com.tao.test.DateInter();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #8 // Method com/tao/test/Pair."<init>"
:()V
4: return
public void setValue(java.util.Date); //咱們重寫的setValue方法
Code:
0: aload_0
1: aload_1
2: invokespecial #16 // Method com/tao/test/Pair.setValue
:(Ljava/lang/Object;)V
5: return
public java.util.Date getValue(); //咱們重寫的getValue方法
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #23 // Method com/tao/test/Pair.getValue
:()Ljava/lang/Object;
4: checkcast #26 // class java/util/Date
7: areturn
public java.lang.Object getValue(); //編譯時由編譯器生成的巧方法
Code:
0: aload_0
1: invokevirtual #28 // Method getValue:()Ljava/util/Date 去調用咱們重寫的getValue方法
;
4: areturn
public void setValue(java.lang.Object); //編譯時由編譯器生成的巧方法
Code:
0: aload_0
1: aload_1
2: checkcast #26 // class java/util/Date
5: invokevirtual #30 // Method setValue:(Ljava/util/Date; 去調用咱們重寫的setValue方法
)V
8: return
}

從編譯的結果來看，咱們本意重寫setValue和getValue方法的子類，居然有4個方法，其實不用驚奇，最後的兩個方法，就是編譯器本身生成的橋方法。能夠看到橋方法的參數類型都是Object，也就是說，子類中真正覆蓋父類兩個方法的就是這兩個咱們看不到的橋方法。而打在咱們本身定義的setvalue和getValue方法上面的@Oveerride只不過是假象。而橋方法的內部實現，就只是去調用咱們本身重寫的那兩個方法。

因此，虛擬機巧妙的使用了巧方法，來解決了類型擦除和多態的衝突。

不過，要提到一點，這裏面的setValue和getValue這兩個橋方法的意義又有不一樣。

setValue方法是爲了解決類型擦除與多態之間的衝突。

而getValue卻有廣泛的意義，怎麼說呢，若是這是一個普通的繼承關係：

那麼父類的setValue方法以下：

public ObjectgetValue() {
return super.getValue();
}

而子類重寫的方法是：

public Date getValue() {
return super.getValue();
}

其實這在普通的類繼承中也是廣泛存在的重寫，這就是協變。

關於協變：。。。。。。

而且，還有一點也許會有疑問，子類中的巧方法 Object getValue()和Date getValue()是同時存在的，但是若是是常規的兩個方法，他們的方法簽名是同樣的，也就是說虛擬機根本不能分別這兩個方法。若是是咱們本身編寫Java代碼，這樣的代碼是沒法經過編譯器的檢查的，可是虛擬機倒是容許這樣作的，由於虛擬機經過參數類型和返回類型來肯定一個方法，因此編譯器爲了實現泛型的多態容許本身作這個看起來「不合法」的事情，而後交給虛擬器去區別。

四、泛型類型變量不能是基本數據類型

不能用類型參數替換基本類型。就好比，沒有ArrayList<double>，只有ArrayList<Double>。由於當類型擦除後，ArrayList的原始類型變爲Object，可是Object類型不能存儲double值，只能引用Double的值。

五、運行時類型查詢

舉個例子:

ArrayList<String> arrayList=new ArrayList<String>();

由於類型擦除以後，ArrayList<String>只剩下原始類型，泛型信息String不存在了。

那麼，運行時進行類型查詢的時候使用下面的方法是錯誤的

if( arrayList instanceof ArrayList<String>)

java限定了這種類型查詢的方式

if( arrayList instanceof ArrayList<?>)

？是通配符的形式，將在後面一篇中介紹。

六、異常中使用泛型的問題

一、不能拋出也不能捕獲泛型類的對象。事實上，泛型類擴展Throwable都不合法。例如：下面的定義將不會經過編譯：

public class Problem<T> extends Exception{......}

爲何不能擴展Throwable，由於異常都是在運行時捕獲和拋出的，而在編譯的時候，泛型信息全都會被擦除掉，那麼，假設上面的編譯可行，那麼，在看下面的定義：

try{
}catch(Problem<Integer> e1){
。。
}catch(Problem<Number> e2){
...
}

類型信息被擦除後，那麼兩個地方的catch都變爲原始類型Object，那麼也就是說，這兩個地方的catch變的如出一轍,就至關於下面的這樣

try{
}catch(Problem<Object> e1){
。。
}catch(Problem<Object> e2){
...

這個固然就是不行的。就比如，catch兩個如出一轍的普通異常，不能經過編譯同樣：

try{
}catch(Exception e1){
。。
}catch(Exception e2){//編譯錯誤
...

二、不能再catch子句中使用泛型變量

public static <T extends Throwable> void doWork(Class<T> t){
try{
...
}catch(T e){ //編譯錯誤
...
}
}

由於泛型信息在編譯的時候已經變味原始類型，也就是說上面的T會變爲原始類型Throwable，那麼若是能夠再catch子句中使用泛型變量，那麼，下面的定義呢：

public static <T extends Throwable> void doWork(Class<T> t){
try{
...
}catch(T e){ //編譯錯誤
...
}catch(IndexOutOfBounds e){
}
}

根據異常捕獲的原則，必定是子類在前面，父類在後面，那麼上面就違背了這個原則。即便你在使用該靜態方法的使用T是ArrayIndexOutofBounds，在編譯以後仍是會變成Throwable，ArrayIndexOutofBounds是IndexOutofBounds的子類，違背了異常捕獲的原則。因此java爲了不這樣的狀況，禁止在catch子句中使用泛型變量。

可是在異常聲明中可使用類型變量。下面方法是合法的。