Java 泛型详解

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> integerBox = new Box<Double>();
Box<String> integerBox = 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 reference,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:

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>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 f2() 中当我们尝试 Fruit f = fruitReader.readExact(apples); 编译器会报错,因为 List<Fruit>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?因为 List<? extends Fruit> flist 它自身有多种含义,它可以是:

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 ();
  • 当我们尝试add一个Orange的时候,flist可能指向new ArrayList ();
  • 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,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,对于 List<? super Apple> list ,它有下面几种含义:

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。因为做的目的是因为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>()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 和ArrayList 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
 // ...
 }
}

References

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