java泛型《轉載》

這篇文章的目的在於介紹Java泛型，使你們對Java泛型的各個方面有一個最終的，清晰的，準確的理解，同時也爲下一篇《從新理解Java反射》打下基礎。

簡介

泛型是Java中一個很是重要的知識點，在Java集合類框架中泛型被普遍應用。本文咱們將從零開始來看一下Java泛型的設計，將會涉及到通配符處理，以及讓人苦惱的類型擦除。

泛型基礎

泛型類

咱們首先定義一個簡單的Box類：

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

這是最多見的作法，這樣作的一個壞處是Box裏面如今只能裝入String類型的元素，從此若是咱們須要裝入Integer等其餘類型的元素，還必需要另外重寫一個Box，代碼得不到複用，使用泛型能夠很好的解決這個問題。

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

這樣咱們的Box類即可以獲得複用，咱們能夠將T替換成任何咱們想要的類型：

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

泛型方法

看完了泛型類，接下來咱們來了解一下泛型方法。聲明一個泛型方法很簡單，只要在返回類型前面加上一個相似<K, V>的形式就好了：

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; }
}

咱們能夠像下面這樣去調用泛型方法：

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，讓Java自動推導出相應的類型參數：

Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.compare(p1, p2);

邊界符

如今咱們要實現這樣一個功能，查找一個泛型數組中大於某個特定元素的個數，咱們能夠這樣實現：

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

可是這樣很明顯是錯誤的，由於除了short, int, double, long, float, byte, char等原始類型，其餘的類並不必定能使用操做符>，因此編譯器報錯，那怎麼解決這個問題呢？答案是使用邊界符。

public interface Comparable<T> {
 public int compareTo(T o);
}

作一個相似於下面這樣的聲明，這樣就等於告訴編譯器類型參數T表明的都是實現了Comparable接口的類，這樣等於告訴編譯器它們都至少實現了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

在瞭解通配符以前，咱們首先必需要澄清一個概念，仍是借用咱們上面定義的Box類，假設咱們添加一個這樣的方法：

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

那麼如今Box<Number> n容許接受什麼類型的參數？咱們是否可以傳入Box<Integer>或者Box<Double>呢？答案是否認的，雖然Integer和Double是Number的子類，可是在泛型中Box<Integer>或者Box<Double>與Box<Number>之間並無任何的關係。這一點很是重要，接下來咱們經過一個完整的例子來加深一下理解。

首先咱們先定義幾個簡單的類，下面咱們將用到它：

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

下面這個例子中，咱們建立了一個泛型類Reader，而後在f1()中當咱們嘗試Fruit f = fruitReader.readExact(apples);編譯器會報錯，由於List<Fruit>與List<Apple>之間並無任何的關係。

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();
 }
}

可是按照咱們一般的思惟習慣，Apple和Fruit之間確定是存在聯繫，然而編譯器卻沒法識別，那怎麼在泛型代碼中解決這個問題呢？咱們能夠經過使用通配符來解決這個問題：

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();
}

這樣就至關與告訴編譯器， fruitReader的readCovariant方法接受的參數只要是知足Fruit的子類就行(包括Fruit自身)，這樣子類和父類之間的關係也就關聯上了。

PECS原則

上面咱們看到了相似<? extends T>的用法，利用它咱們能夠從list裏面get元素，那麼咱們可不能夠往list裏面add元素呢？咱們來嘗試一下：

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);
 }
}

答案是否認，Java編譯器不容許咱們這樣作，爲何呢？對於這個問題咱們不妨從編譯器的角度去考慮。由於List<? extends Fruit> flist它自身能夠有多種含義：

List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Fruit>();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Orange>();

• 當咱們嘗試add一個Apple的時候，flist可能指向new ArrayList<Orange>();
• 當咱們嘗試add一個Orange的時候，flist可能指向new ArrayList<Apple>();
• 當咱們嘗試add一個Fruit的時候，這個Fruit能夠是任何類型的Fruit，而flist可能只想某種特定類型的Fruit，編譯器沒法識別因此會報錯。

因此對於實現了<? extends T>的集合類只能將它視爲Producer向外提供(get)元素，而不能做爲Consumer來對外獲取(add)元素。

若是咱們要add元素應該怎麼作呢？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();
 }
}

這樣咱們能夠往容器裏面添加元素了，可是使用super的壞處是之後不能get容器裏面的元素了，緣由很簡單，咱們繼續從編譯器的角度考慮這個問題，對於List<? super Apple> list，它能夠有下面幾種含義：

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

當咱們嘗試經過list來get一個Apple的時候，可能會get獲得一個Fruit，這個Fruit能夠是Orange等其餘類型的Fruit。

根據上面的例子，咱們能夠總結出一條規律，」Producer Extends, Consumer Super」：

• 「Producer Extends」 – 若是你須要一個只讀List，用它來produce T，那麼使用? extends T。
• 「Consumer Super」 – 若是你須要一個只寫List，用它來consume T，那麼使用? super T。
• 若是須要同時讀取以及寫入，那麼咱們就不能使用通配符了。

如何閱讀過一些Java集合類的源碼，能夠發現一般咱們會將二者結合起來一塊兒用，好比像下面這樣：

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));
 }
}

類型擦除

Java泛型中最使人苦惱的地方或許就是類型擦除了，特別是對於有C++經驗的程序員。類型擦除就是說Java泛型只能用於在編譯期間的靜態類型檢查，而後編譯器生成的代碼會擦除相應的類型信息，這樣到了運行期間實際上JVM根本就知道泛型所表明的具體類型。這樣作的目的是由於Java泛型是1.5以後才被引入的，爲了保持向下的兼容性，因此只能作類型擦除來兼容之前的非泛型代碼。對於這一點，若是閱讀Java集合框架的源碼，能夠發現有些類其實並不支持泛型。

說了這麼多，那麼泛型擦除究竟是什麼意思呢？咱們先來看一下下面這個簡單的例子：

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; }
 // ...
}

編譯器作完相應的類型檢查以後，實際上到了運行期間上面這段代碼實際上將轉換成：

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; }
 // ...
}

這意味着無論咱們聲明Node<String>仍是Node<Integer>，到了運行期間，JVM通通視爲Node<Object>。有沒有什麼辦法能夠解決這個問題呢？這就須要咱們本身從新設置bounds了，將上面的代碼修改爲下面這樣：

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; }
 // ...
}

這樣編譯器就會將T出現的地方替換成Comparable而再也不是默認的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; }
 // ...
}

上面的概念或許仍是比較好理解，但其實泛型擦除帶來的問題遠遠不止這些，接下來咱們系統地來看一下類型擦除所帶來的一些問題，有些問題在C++的泛型中可能不會碰見，可是在Java中卻須要格外當心。

問題一

在Java中不容許建立泛型數組，相似下面這樣的作法編譯器會報錯：

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

爲何編譯器不支持上面這樣的作法呢？繼續使用逆向思惟，咱們站在編譯器的角度來考慮這個問題。

咱們先來看一下下面這個例子：

Object[] strings = new String[2];
strings[0] = "hi"; // OK
strings[1] = 100; // An ArrayStoreException is thrown.

對於上面這段代碼仍是很好理解，字符串數組不能存放整型元素，並且這樣的錯誤每每要等到代碼運行的時候才能發現，編譯器是沒法識別的。接下來咱們再來看一下假設Java支持泛型數組的建立會出現什麼後果：

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>();

假設咱們支持泛型數組的建立，因爲運行時期類型信息已經被擦除，JVM實際上根本就不知道new ArrayList<String>()和new ArrayList<Integer>()的區別。相似這樣的錯誤假如出現才實際的應用場景中，將很是難以察覺。

若是你對上面這一點還抱有懷疑的話，能夠嘗試運行下面這段代碼：

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
 }
}

問題二

繼續複用咱們上面的Node的類，對於泛型代碼，Java編譯器實際上還會偷偷幫咱們實現一個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);
 }
}

看完上面的分析以後，你可能會認爲在類型擦除後，編譯器會將Node和MyNode變成下面這樣：

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);
 }
}

實際上不是這樣的，咱們先來看一下下面這段代碼，這段代碼運行的時候會拋出ClassCastException異常，提示String沒法轉換成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;

若是按照咱們上面生成的代碼，運行到第3行的時候不該該報錯(注意我註釋掉了第4行)，由於MyNode中不存在setData(String data)方法，因此只能調用父類Node的setData(Object data)方法，既然這樣上面的第3行代碼不該該報錯，由於String固然能夠轉換成Object了，那ClassCastException究竟是怎麼拋出的？

實際上Java編譯器對上面代碼自動還作了一個處理：

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);
 }
 // ...
}

這也就是爲何上面會報錯的緣由了，setData((Integer) data);的時候String沒法轉換成Integer。因此上面第2行編譯器提示unchecked warning的時候，咱們不能選擇忽略，否則要等到運行期間才能發現異常。若是咱們一開始加上Node<Integer> n = mn就行了，這樣編譯器就能夠提早幫咱們發現錯誤。

問題三

正如咱們上面提到的，Java泛型很大程度上只能提供靜態類型檢查，而後類型的信息就會被擦除，因此像下面這樣利用類型參數建立實例的作法編譯器不會經過：

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

可是若是某些場景咱們想要須要利用類型參數建立實例，咱們應該怎麼作呢？能夠利用反射解決這個問題：

public static <E> void append(List<E> list, Class<E> cls) throws Exception {
 E elem = cls.newInstance(); // OK
 list.add(elem);
}

咱們能夠像下面這樣調用：

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

實際上對於上面這個問題，還能夠採用Factory和Template兩種設計模式解決，感興趣的朋友不妨去看一下Thinking in Java中第15章中關於Creating instance of types(英文版第664頁)的講解，這裏咱們就不深刻了。

問題四

咱們沒法對泛型代碼直接使用instanceof關鍵字，由於Java編譯器在生成代碼的時候會擦除全部相關泛型的類型信息，正如咱們上面驗證過的JVM在運行時期沒法識別出ArrayList<Integer>和ArrayList<String>的之間的區別：

public static <E> void rtti(List<E> list) {
 if (list instanceof ArrayList<Integer>) { // compile-time error
  // ...
 }
}
=> { ArrayList<Integer>, ArrayList<String>, LinkedList<Character>, ... }

和上面同樣，咱們可使用通配符從新設置bounds來解決這個問題：

public static void rtti(List<?> list) {
 if (list instanceof ArrayList<?>) { // OK; instanceof requires a reifiable type
  // ...
 }
}

總結

以上就是本文關於從新理解Java泛型的所有內容，但願對你們有所幫助。感興趣的朋友能夠繼續參閱本站：