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: 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<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 public class Util { public static 我们可以像下面这样去调用泛型方法: Pair 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: Pair 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 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 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 那么现在 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 public class GenericReading { static List 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 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 public class GenericsAndCovariance { public static void main(String[] args) { // Wildcards allow covariance: List extends Fruit> flist = new ArrayList 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 = new ArrayList
所以对于实现了 如果我们要add元素应该怎么做呢?可以使用 public class GenericWriting { static List 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 = new ArrayList 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”:
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 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: public class Node<T> { private T data; private Node 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 public class Node<T extends Comparable<T>> { private T data; private Node 这样编译器就会将 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 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'; // OKstrings[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 allowedstringLists[0] = new ArrayList<String>(); // OK// An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can't detect it.stringLists[1] = new ArrayList 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 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 问题二继续复用我们上面的 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 MyNode mn = new MyNode(5);Node n = mn; // A raw type - compiler throws an unchecked warningn.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 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, 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 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 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 public static 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 // ... }}
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