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。
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:
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:
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。
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>
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:
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。
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。
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:
new ArrayList<Orange>()
;new ArrayList<Apple>()
;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”:
? extends T
。? super T
。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:
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。
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>()
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:
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。
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。
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:
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: