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重新理解Java泛型

這篇文章的目的在于介紹Java泛型，使大家對Java泛型的各個方面有一個最終的，清晰的，準(zhǔn)確的理解，同時也為下一篇《重新理解Java反射》打下基礎(chǔ)。

創(chuàng)新互聯(lián)建站專注于企業(yè)營銷型網(wǎng)站建設(shè)、網(wǎng)站重做改版、宿遷網(wǎng)站定制設(shè)計、自適應(yīng)品牌網(wǎng)站建設(shè)、HTML5、成都商城網(wǎng)站開發(fā)、集團(tuán)公司官網(wǎng)建設(shè)、成都外貿(mào)網(wǎng)站建設(shè)、高端網(wǎng)站制作、響應(yīng)式網(wǎng)頁設(shè)計等建站業(yè)務(wù)，價格優(yōu)惠性價比高，為宿遷等各大城市提供網(wǎng)站開發(fā)制作服務(wù)。

簡介

泛型是Java中一個非常重要的知識點，在Java集合類框架中泛型被廣泛應(yīng)用。本文我們將從零開始來看一下Java泛型的設(shè)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(chǔ)

泛型類

我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; }
}

這是最常見的做法，這樣做的一個壞處是Box里面現(xiàn)在只能裝入String類型的元素，今后如果我們需要裝入Integer等其他類型的元素，還必須要另外重寫一個Box，代碼得不到復(fù)用，使用泛型可以很好的解決這個問題。

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

這樣我們的Box類便可以得到復(fù)用，我們可以將T替換成任何我們想要的類型：

Box integerBox = new Box();
Box doubleBox = new Box();
Box stringBox = new Box();

泛型方法

看完了泛型類，接下來我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類似的形式就行了：

public class Util {
 public static  boolean compare(Pair p1, Pair p2) {
  return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
    p1.getValue().equals(p2.getValue());
 }
}
public class Pair {
 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; }
}

我們可以像下面這樣去調(diào)用泛型方法：

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

或者在Java1.7/1.8利用type inference，讓Java自動推導(dǎo)出相應(yīng)的類型參數(shù)：

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

邊界符

現(xiàn)在我們要實現(xiàn)這樣一個功能，查找一個泛型數(shù)組中大于某個特定元素的個數(shù)，我們可以這樣實現(xiàn)：

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

但是這樣很明顯是錯誤的，因為除了short, int, double, long, float, byte, char等原始類型，其他的類并不一定能使用操作符>，所以編譯器報錯，那怎么解決這個問題呢？答案是使用邊界符。

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

做一個類似于下面這樣的聲明，這樣就等于告訴編譯器類型參數(shù)T代表的都是實現(xiàn)了Comparable接口的類，這樣等于告訴編譯器它們都至少實現(xiàn)了compareTo方法。

public static > 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，我們首先必須要澄清一個概念，還是借用我們上面定義的Box類，假設(shè)我們添加一個這樣的方法：

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

那么現(xiàn)在Box n允許接受什么類型的參數(shù)？我們是否能夠傳入Box或者Box呢？答案是否定的，雖然Integer和Double是Number的子類，但是在泛型中Box或者Box與Box之間并沒有任何的關(guān)系。這一點非常重要，接下來我們通過一個完整的例子來加深一下理解。

首先我們先定義幾個簡單的類，下面我們將用到它：

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

下面這個例子中，我們創(chuàng)建了一個泛型類Reader，然后在f1()中當(dāng)我們嘗試Fruit f = fruitReader.readExact(apples);編譯器會報錯，因為List與List之間并沒有任何的關(guān)系。

public class GenericReading {
 static List apples = Arrays.asList(new Apple());
 static List fruit = Arrays.asList(new Fruit());
 static class Reader {
  T readExact(List list) {
   return list.get(0);
  }
 }
 static void f1() {
  Reader fruitReader = new Reader();
  // Errors: List cannot be applied to List.
  // Fruit f = fruitReader.readExact(apples);
 }
 public static void main(String[] args) {
  f1();
 }
}

但是按照我們通常的思維習(xí)慣，Apple和Fruit之間肯定是存在聯(lián)系，然而編譯器卻無法識別，那怎么在泛型代碼中解決這個問題呢？我們可以通過使用通配符來解決這個問題：

static class CovariantReader {
 T readCovariant(List<? extends T> list) {
  return list.get(0);
 }
}
static void f2() {
 CovariantReader fruitReader = new CovariantReader();
 Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);
 Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);
}
public static void main(String[] args) {
 f2();
}

這樣就相當(dāng)與告訴編譯器， fruitReader的readCovariant方法接受的參數(shù)只要是滿足Fruit的子類就行(包括Fruit自身)，這樣子類和父類之間的關(guān)系也就關(guān)聯(lián)上了。

PECS原則

上面我們看到了類似<? extends T>的用法，利用它我們可以從list里面get元素，那么我們可不可以往list里面add元素呢？我們來嘗試一下：

public class GenericsAndCovariance {
 public static void main(String[] args) {
  // Wildcards allow covariance:
  List<? extends Fruit> flist = new ArrayList();
  // 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編譯器不允許我們這樣做，為什么呢？對于這個問題我們不妨從編譯器的角度去考慮。因為List<? extends Fruit> flist它自身可以有多種含義：

List<? extends Fruit> flist = new ArrayList();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList();
  • 當(dāng)我們嘗試add一個Apple的時候，flist可能指向new ArrayList();
  • 當(dāng)我們嘗試add一個Orange的時候，flist可能指向new ArrayList();
  • 當(dāng)我們嘗試add一個Fruit的時候，這個Fruit可以是任何類型的Fruit，而flist可能只想某種特定類型的Fruit，編譯器無法識別所以會報錯。

所以對于實現(xiàn)了<? extends T>的集合類只能將它視為Producer向外提供(get)元素，而不能作為Consumer來對外獲取(add)元素。

如果我們要add元素應(yīng)該怎么做呢？可以使用<? super T>：

public class GenericWriting {
 static List apples = new ArrayList();
 static List fruit = new ArrayList();
 static  void writeExact(List list, T item) {
  list.add(item);
 }
 static void f1() {
  writeExact(apples, new Apple());
  writeExact(fruit, new Apple());
 }
 static  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();
 }
}

這樣我們可以往容器里面添加元素了，但是使用super的壞處是以后不能get容器里面的元素了，原因很簡單，我們繼續(xù)從編譯器的角度考慮這個問題，對于List<? super Apple> list，它可以有下面幾種含義：

List<? super Apple> list = new ArrayList();
List<? super Apple> list = new ArrayList();
List<? super Apple> list = new ArrayList();
當(dāng)我們嘗試通過list來get一個Apple的時候，可能會get得到一個Fruit，這個Fruit可以是Orange等其他類型的Fruit。
根據(jù)上面的例子，我們可以總結(jié)出一條規(guī)律，”Producer Extends, Consumer Super”：
  • “Producer Extends” – 如果你需要一個只讀List，用它來produce T，那么使用? extends T。
    •   
  • “Consumer Super” – 如果你需要一個只寫List，用它來consume T，那么使用? super T。
    •   
  • 如果需要同時讀取以及寫入，那么我們就不能使用通配符了。
如何閱讀過一些Java集合類的源碼，可以發(fā)現(xiàn)通常我們會將兩者結(jié)合起來一起用，比如像下面這樣：
public class Collections {
 public static  void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
  for (int i=0; i
類型擦除
Java泛型中最令人苦惱的地方或許就是類型擦除了，特別是對于有C++經(jīng)驗的程序員。類型擦除就是說Java泛型只能用于在編譯期間的靜態(tài)類型檢查，然后編譯器生成的代碼會擦除相應(yīng)的類型信息，這樣到了運行期間實際上JVM根本就知道泛型所代表的具體類型。這樣做的目的是因為Java泛型是1.5之后才被引入的，為了保持向下的兼容性，所以只能做類型擦除來兼容以前的非泛型代碼。對于這一點，如果閱讀Java集合框架的源碼，可以發(fā)現(xiàn)有些類其實并不支持泛型。
說了這么多，那么泛型擦除到底是什么意思呢？我們先來看一下下面這個簡單的例子：
public class Node {
 private T data;
 private Node next;
 public Node(T data, Node next) }
  this.data = data;
  this.next = next;
 }
 public T getData() { return data; }
 // ...
}
編譯器做完相應(yīng)的類型檢查之后，實際上到了運行期間上面這段代碼實際上將轉(zhuǎn)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; }
 // ...
}
這意味著不管我們聲明Node還是Node，到了運行期間，JVM統(tǒng)統(tǒng)視為Node。有沒有什么辦法可以解決這個問題呢？這就需要我們自己重新設(shè)置bounds了，將上面的代碼修改成下面這樣：
public class Node> {
 private T data;
 private Node next;
 public Node(T data, Node next) {
  this.data = data;
  this.next = next;
 }
 public T getData() { return data; }
 // ...
}
這樣編譯器就會將T出現(xiàn)的地方替換成Comparable而不再是默認(rèn)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; }
 // ...
}
上面的概念或許還是比較好理解，但其實泛型擦除帶來的問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，接下來我們系統(tǒng)地來看一下類型擦除所帶來的一些問題，有些問題在C++的泛型中可能不會遇見，但是在Java中卻需要格外小心。
問題一
在Java中不允許創(chuàng)建泛型數(shù)組，類似下面這樣的做法編譯器會報錯：
List[] arrayOfLists = new List[2]; // compile-time error
為什么編譯器不支持上面這樣的做法呢？繼續(xù)使用逆向思維，我們站在編譯器的角度來考慮這個問題。
我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.
對于上面這段代碼還是很好理解，字符串?dāng)?shù)組不能存放整型元素，而且這樣的錯誤往往要等到代碼運行的時候才能發(fā)現(xiàn)，編譯器是無法識別的。接下來我們再來看一下假設(shè)Java支持泛型數(shù)組的創(chuàng)建會出現(xiàn)什么后果：
Object[] stringLists = new List[]; // compiler error, but pretend it's allowed
stringLists[0] = new ArrayList(); // OK
// An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can't detect it.
stringLists[1] = new ArrayList();
假設(shè)我們支持泛型數(shù)組的創(chuàng)建，由于運行時期類型信息已經(jīng)被擦除，JVM實際上根本就不知道new ArrayList()和new ArrayList()的區(qū)別。類似這樣的錯誤假如出現(xiàn)才實際的應(yīng)用場景中，將非常難以察覺。
如果你對上面這一點還抱有懷疑的話，可以嘗試運行下面這段代碼：
public class ErasedTypeEquivalence {
 public static void main(String[] args) {
  Class c1 = new ArrayList().getClass();
  Class c2 = new ArrayList().getClass();
  System.out.println(c1 == c2); // true
 }
}
問題二
繼續(xù)復(fù)用我們上面的Node的類，對于泛型代碼，Java編譯器實際上還會偷偷幫我們實現(xiàn)一個Bridge method。
public class Node {
 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 {
 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，你可能會認(rèn)為在類型擦除后，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，我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無法轉(zhuǎn)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;
如果按照我們上面生成的代碼，運行到第3行的時候不應(yīng)該報錯(注意我注釋掉了第4行)，因為MyNode中不存在setData(String data)方法，所以只能調(diào)用父類Node的setData(Object data)方法，既然這樣上面的第3行代碼不應(yīng)該報錯，因為String當(dāng)然可以轉(zhuǎn)換成Object了，那ClassCastException到底是怎么拋出的？
實際上Java編譯器對上面代碼自動還做了一個處理：
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);
 }
 // ...
}
這也就是為什么上面會報錯的原因了，setData((Integer) data);的時候String無法轉(zhuǎn)換成Integer。所以上面第2行編譯器提示unchecked warning的時候，我們不能選擇忽略，不然要等到運行期間才能發(fā)現(xiàn)異常。如果我們一開始加上Node n = mn就好了，這樣編譯器就可以提前幫我們發(fā)現(xiàn)錯誤。
問題三
正如我們上面提到的，Java泛型很大程度上只能提供靜態(tài)類型檢查，然后類型的信息就會被擦除，所以像下面這樣利用類型參數(shù)創(chuàng)建實例的做法編譯器不會通過：
public static  void append(List list) {
 E elem = new E(); // compile-time error
 list.add(elem);
}
但是如果某些場景我們想要需要利用類型參數(shù)創(chuàng)建實例，我們應(yīng)該怎么做呢？可以利用反射解決這個問題：
public static  void append(List list, Class cls) throws Exception {
 E elem = cls.newInstance(); // OK
 list.add(elem);
}
我們可以像下面這樣調(diào)用：
List ls = new ArrayList<>();
append(ls, String.class);
實際上對于上面這個問題，還可以采用Factory和Template兩種設(shè)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(guān)于Creating instance of types(英文版第664頁)的講解，這里我們就不深入了。
問題四
我們無法對泛型代碼直接使用instanceof關(guān)鍵字，因為Java編譯器在生成代碼的時候會擦除所有相關(guān)泛型的類型信息，正如我們上面驗證過的JVM在運行時期無法識別出ArrayList和ArrayList的之間的區(qū)別：
public static  void rtti(List list) {
 if (list instanceof ArrayList) { // compile-time error
  // ...
 }
}
=> { ArrayList, ArrayList, LinkedList, ... }
和上面一樣，我們可以使用通配符重新設(shè)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(jié)
以上就是本文關(guān)于重新理解Java泛型的全部內(nèi)容，希望對大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續(xù)參閱本站：
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            文章轉(zhuǎn)載：http://weahome.cn/article/geipjh.html
        
    






    

        

            
                
                
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