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Java 泛型完全解读

三枣 2019-02-21 20:24:00 阅读数:165 评论数:0 点赞数:0 收藏数:0

对于泛型的使用我想大家都非常熟悉,但是对于类型擦除,边界拓展等细节问题,可能不是很清楚,所以本文会重点讲解一下;另外对泛型的了解其实可以看出,一个语言特性的产生逻辑,这对我们平时的开发也是非常有帮助的;

一、为什么会出现泛型

首先泛型并不是Java的语言特性,是直到 JDK1.5 才支持的特性(具体区别后面会讲到);那么在泛型出现之前是怎么做的呢?

List list = new ArrayList();
list.add("123");
String s = (String) list.get(0);

如上面代码所示,在集合里面需要我们自己记住放进去的是什么,取出来的时候再强转; 也就将这种类型转换的错误推迟到了运行时,即麻烦还不安全,所以才出现了泛型;

使用场景:泛型类,泛型接口,泛型方法;

public class Test<T>
public interface Test<T>
public <T> void test(T t)

二、泛型会带来什么样的问题

正如上面所讲泛型并不是 Java 一开始就具有的特性,所以在后来想要增加泛型的时候,就必须要兼容以前的版本,Sun 他们想到的折中解决方案就是类型擦除;意思就是泛型的信息只存在于编译期,在运行时期所有的泛型信息都被擦除了,就想没有一样;

List<String> list1 = new ArrayList<>();
List<Integer> list2 = new ArrayList<>();
System.out.println(list1.getClass());
System.out.println(list2.getClass() == list1.getClass());

// 打印:
class java.util.ArrayList
true

可以看到 List<String>List<String> 在运行时其实都是一样的,都是class java.util.ArrayList;所以在使用泛型的时候需要牢记,在运行时期没有泛型信息,也无法获取任何有关参数类型的信息;所以凡是需要获取运行时类型的操作,泛型都不支持!

1. 不能用基本类型实例化类型参数

new ArrayList<int>(); // error
new ArrayList<Integer>(); // correct

因为类型擦除,会擦除到他的上界也就是 Object;而 Java 的8个基本类型的直接父类是 Number,所以基本类型不不能用基本类型实例化类型参数,而必须使用基本类型的包装类;

2. 不能用于运行时类型检查

t instanceof T // error
t instanceof List<T> // error
t instanceof List<String> // error
t instanceof List // correct

但是可以使用 clazz.isInstance(); 进行补偿;

3. 不能创建类型实例

T t = new T(); // error

同样可以使用 clazz.newInstance(); 进行补偿;

4. 不能静态化

private static T t; // error
private T t; // correct
private static List<T> list; // error
private static List<?> list; // correct
private static List<String> list; // correct
// e.g.
class Test<T> {
private T t;
public void set(T arg) { t = arg; }
public T get() { return t; }
}

因为静态变量在类中共享,而泛型类型是不确定的,所以泛型不能静态化;但是非静态的时候,编译期可以根据上下文推断出T是什么,例如:

Test l = new Test();
System.out.println(l.get());
l.set("123");
System.out.println(l.get());
// javap -v 反编译
12: invokevirtual #15 // Method JDK/Test14_genericity$Test.get:()Ljava/lang/Object;
15: invokevirtual #16 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
18: aload_1
19: ldc #17 // String 123
21: invokevirtual #18 // Method JDK/Test14_genericity$Test.set:(Ljava/lang/Object;)V
24: getstatic #6 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
// ---------------------------
Test l = new Test();
System.out.println(l.get());
l.set("123");
System.out.println(l.get());
// javap -v 反编译
12: invokevirtual #15 // Method JDK/Test14_genericity$Test.get:()Ljava/lang/Object;
15: invokevirtual #16 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
18: aload_1
19: bipush 123
21: invokestatic #17 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;

根据上面的代码,可以很清楚的看到,编译器对非静态类型的推导;

另外 List<?>List<String> 之所以是正确的,仍然是因为编译器可以在编译期间就能确定类型转换的正确性;

5. 不能抛出或捕获泛型类的实例

catch (T t) // error
class Test<T> extends Throwable // error

因为在捕捉异常时候需要运行时类信息,并且判断异常的继承关系,所以不能抛出或捕获泛型类的实例;

6. 不允许作为参数进行重载

void test(List<Integer> list)
void test(List<String> list)

因为在运行时期泛型信息被擦除,重载的两个方法签名就完全一样了;

7. 不能创建泛型数组

对于一点我觉得是最重要的,关于数组的介绍可以参考,Array 相关

List<String>[] lists = new ArrayList<String>[10]; // error
List<String>[] lists1 = (List<String>[]) new ArrayList[10]; // correct

之所以不能创建泛型数组的主要原因:

  • 数组是协变的,而泛型的不变的;
  • 数组的Class信息是在运行时动态创建的,而运行时不能获取泛型的类信息;

根据上面的讲解可以看出所谓的擦除补偿或者擦除后的修正,其大体思路都是用额外的方法告知运行时的类型信息,可以是记录到局部变量,也可以是指定参数的确切类型(Array.newInstance(Class<?> componentType, int length));

三、边界拓展

基于安全的考虑 Java 泛型是不变的(避免取出数据时的类型转换错误);

List<Object> list = new ArrayList<String>(); // error

所以在使用集合类的时候,每个集合都需要强制指定确切类型就有点不方便,比如我想指定一个集合存放 A 以及 A 的子类;在这种情况下就引入了 extends,super,? 来拓展和管理泛型的边界;

1. 无界通配符 <?>

通配符主要用于泛型的使用场景(泛型一般有“声明”和“使用”两种场景);
通常情况下 <?> 和原生类型大致相同,就像 ListList<?> 的表现大部分都是一样的;但是要注意他们其实是有本质去别的,<?> 代表了某一特定的类型,但是编译器不知道这种类型是什么;而原生的表示可以是任何 Object,其中并没有类型限制;

List<?> list = new ArrayList<String>(); // correct
list.add("34"); // error
String s = list.get(0); // error
Object o = list.get(0); // correct
boolean add(E e);

上面的代码很明确的反应了这一点(<?> 代表了某一特定的类型,但是编译器不知道这种类型是什么),

  • 因为编译器不知道这种类型是什么,所以在添加元素的时候,当然也就不能确认添加的这个类型是否正确;当使用<?>的时候,代码中的 add(E e) 方法,此时的 E 会被替换为 <?>实际上编译器为了安全起见,会直接拒绝参数列表中涉及通配符的方法调用;就算这个方法没有向集合中添加元素,也会被直接拒绝;
  • List<?> 取出元素的时候,同样因为不知道这个特定的类型是什么,所以只能将取出的元素放在Object中;或者在取出后强转;

2. 上界 <extends>

extends,主要用于确定泛型的上界;

<T extends Test> // 泛型声明
<T extends Test & interface1 & interface2> // 声明泛型是可以确定多个上界
<? extends T> // 泛型使用时

界定的范围如图所示:

upperBounds

应当注意的是当extends用于参数类型限定时:

List<? extends List> list = new ArrayList<ArrayList>(); // correct
list.add(new ArrayList()); // error
List l = list.get(0); // correct
ArrayList l = list.get(0); // error

上面的分析同无界通配符类似,只是 List l = list.get(0); 是正确的,是因为 <? extends List> 界定了放入的元素一定是 List 或者 list 的子类,所以取出的元素能放入 List 中,但是不能放入 ArrayList 中;

3. 下界 <super>

super,主要用于确定泛型的下界;如图所示:

lowerBounds

List<? super HashMap> list = new ArrayList<>(); // correct
LinkedHashMap m = new LinkedHashMap(); // correct
HashMap m1 = m; // correct
Map m2 = m; // correct
list.add(m); // correct
list.add(m1); // correct
list.add(m2); // error
Map mm = list.get(0); // error
LinkedHashMap mm1 = list.get(0); // error

根据图中的范围对照代码,就能很快发现MapList<? super HashMap>的范围之外;而编辑器为了安全泛型下界集合取出的元素只能放在 Object里面;

4. PECS 原则

PECS原则是对上界和下界使用的归纳,即producer-extends, consumer-super;结合上面的两幅图,表示:

  • extends只能读,相当于生产者,向外产出;
  • super只能写,相当于消费者,只能接收消费;
  • 同时边界不能同时规定上界和下界,正如图所示,他们的范围其实是一样的,只是开口不一样;

5. 自限定类型

对于上面讲的泛型边界拓展,有一个很特别的用法,

class Test<T extends Test<T>> {}
public <T extends Comparable<T>> T max(List<T> list) {} 

自限定类型可以通俗的解释,就是用自己限定自己,即自和自身相同的类进行某操作;如上面的 max 方法,就表示可以和自身进行比较的类型;

那么如果想要表达只要是同一祖先就能相互比较呢?

public <T extends Comparable<? super>> T max(List<? extends T> list) {} 

<T extends Comparable<? super>>:表明只要是同一祖先就能相互比较,<? extends T>表明集合中装的都是同一祖先的元素;(出至《Effective Java》第 28 条)

总结

  • 对于泛型的时候首先要很清楚的知道,在运行时没有任何泛型的信息,全部都被擦除掉了;
  • 需要知道 Java 泛型做不到的事情;
  • 需要知道怎么拓展边界,让泛型更加灵活;
  • 另外所有的 Comparator、Comparable 都是消费者,应用 super
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