Java 泛型详解

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:

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。

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:

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:

我们可以像下面这样去调用泛型方法:

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:

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:

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。

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。

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:

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:

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>List<Apple>之间并没有任何的关系。

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:

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:

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:

  • 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>

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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。

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:

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:

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:

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:

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:

我们可以像下面这样调用:

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>ArrayList<String>的之间的区别:

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:

原文发布于微信公众号 - java一日一条(mjx_java)

原文发表时间:2017-11-16

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

发表于

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

相关文章

来自专栏程序猿

枚举算法(Enumeration algorithm)实例一

(建议电脑看原文链接,平台的排版不太好,太累了。)描述:在n位的整数中,例如153可以满足1^3 + 5^3 + 3^3 = 153,这样的数称...

39860
来自专栏技术/开源

30分钟?不需要,轻松读懂IL

先说说学IL有什么用,有人可能觉得这玩意平常写代码又用不上,学了有个卵用。到底有没有卵用呢,暂且也不说什么学了可以看看一些语法糖的实现,或对.net理解更深一点...

20970
来自专栏面朝大海春暖花开

c++入门笔记

C++函数的返回值类型可以是除数组和函数以外的任何类型。 函数可以返回一个引用,将函数说明为返回一个引用的主要目的是为了将函数用在赋值运算符的左边。函数原型的表...

13240
来自专栏zingpLiu

python基础(一)

  python的创始人为吉多·范罗苏姆(Guido van Rossum)。1989年的圣诞节期间,吉多·范罗苏姆为了在阿姆斯特丹打发时间,决心开发一个新的脚...

32320
来自专栏北京马哥教育

深入 Python 字典的内部实现

字典是通过键(key)索引的,因此,字典也可视作彼此关联的两个数组。下面我们尝试向字典中添加3个键/值(key/value)对: 这些值可通过如下方法访问: 由...

419150
来自专栏Java架构沉思录

你真的懂Java中的String、StringBuilder和StringBuffer吗?

相信String这个类是Java中使用得最频繁的类之一,并且又是各大公司面试喜欢问到的地方,今天就来和大家一起学习一下String、StringBui...

18630
来自专栏coding for love

JS入门难点解析3-作用域

(注1:如果有问题欢迎留言探讨,一起学习!转载请注明出处,喜欢可以点个赞哦!) (注2:更多内容请查看我的目录。)

11420
来自专栏编程

让你比95%的人更懂Pythonic的内置模块:collections

Python的集合(collections)模块,为很多用其他方法很难实现的场景提供了解决方案。 本文我们将会学习该模块的抽象概念是如何产生的,日后处理不同问题...

21150
来自专栏叁金大数据

自学Python一 迷茫中的开端!

  有心学习一下Python,多门技术多条路啊。经历了找教程,看代码,写demo,这东西入门容易精通难啊!又因为请了两周婚假彻底忘光光。想了想自己还是边复习边写...

13420
来自专栏杨建荣的学习笔记

任务调度并行算法的Java简单实现

今天下午抽空写了下并行调度算法的Java版本,是想把这个思路先实现了,后面改写Python版作为参考,调试这个版本之后,再来写Python版,发现差别还不小。 ...

38060

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券