泛型魔法：解码Java中的类型参数

泛型设计的意义

泛型程序设计意味着编写的代码可以被很多不同类型的对象所重用。举个简单的例子，在没有泛型特性之前（ JDK 5 以前），ArrayList 只维护一个 Object 引用的数组。

万物皆是 Object，所以啥都可以往里面放。但是这样会有两个问题：

获取值时必须进行强制类型转换：

ArrayList list = new ArrayList();
list.add("xw");
String str = (String) list.get(0);

编译器没有错误类型检查，可以向数组列表中添加任何类的对象。

list.add("xw");
list.add(20);
list.add(new Date());

添加对象的时候编译和运行都不会出错。然而在其他地方，如果将 get 的结果强制类型 转换为 String 类型，就会产生一个异常：ClassCastException。

那么有了泛型之后，可以使用类型变量来明确指明元素的类型，完美的解决了上述问题。出现编译错误比类在运行时出现类的强制类型转换异常要好得多。

ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
// 从 JDK7 开始，构造函数中可以省略泛型类型，可以从变量的类型推断得出
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

还有另外一种情况，如果同一个泛型类的关于不同实例的元素直接存在关系呢？还是以 ArrayList 为例，如果对于存在的 Parent 类，和 Child 类，我们应该保证可以向父类的泛型类中添加子类的元素，但是不允许向子类的泛型类添加父类的元素，如下图所示：

可以很明显的看到，编译器发生了错误，究其根本，这是 Java 中引入了通配符类型。稍后我们会详细学习。

泛型类

泛型类就是具有一个或多个类型变量的类。对于这个类来说，我们只关注泛型，而不需要关注存储细节。

类型变量，用尖括号< >括起来，并放在类名的后面。泛型类可以有多个类型变量。类型变量可以用来指定方法的返回类型以及域和局部变量的类型。

public class MyClass<T> {
    private T a;
    private T b;
    public MyClass(T a, T b) {
        this.a = a;
        this.b = b;
    }
}

按照习惯和规范，类型变量使用大写形式， 且比较短，相当于实际类型的一个占位。通常使用 E 来表示集合的元素类型，K 和 V 表示键值对的元素类型，T用来表示任意类型，当然使用 A、B、C 这些也都可以。

实例化的时候可以用具体的类型替换掉类型变量，如下：

MyClass<Integer> myClass = new MyClass<>(1, 2);

泛型方法

泛型方法还可以定义在普通类中，同样使用类型变量的方式，用尖括号< >扩起来。不过注意类型变量的位置放在方法返回值的前面。

public static <A> A getMid(A ...values) {
  return values[values.length / 2];
}

调用的时候可以显示的声明出类型变量。也可以省略书写，由编译器推断。

String midStr = MyClass.<String>getMid("1", "2", "3");
Integer midStr = MyClass.getMid(1, 2, 3);

类型变量的限定类型

通过对类型变量设置限定来加以约束，方便内部逻辑的编写。

// T 需要同时 实现/继承 BoundingType1 和 BoundingType2
< T extends BoundingType1 & BoundingType2〉

表示 T 应该是限定类型的子类型。T 和绑定类型可以是类，也可以是接口。限定类型用& 分隔，逗号用来分隔类型变量。

<T extends Class1, U extends Class2 & Class3>

泛型代码与虚拟机

1. 虚拟机中没有泛型，只有普通的类和方法
2. 所有的类型变量都用它们的限定类型替换
3. 桥方法被合成来保持多态
4. 为保持类型安全性，必要时插人强制类型转换

类型擦除

无论何时定义一个泛型类型，都自动提供了一个相应的原始类型。原始类型的名字就是删去类型变量后的泛型类型名。擦除类型变量，并替换为限定类型，如果有多个限定类型，则使用限定列表的第一个类型变量进行替换，如果无限定的变量则替换成 Object。

比如上面的 MyClass，因为 T 是一个无限定的变量，所以直接用 Object 替换，进行类型擦除后如下所示：

public class MyClass {
    private Object a;
    private Object b;
    public MyClass(Object a, Object b) {
        this.a = a;
        this.b = b;
    }
}

在程序中可以包含不同类型的 MyClass，例如， MyClass 或 MyClass。而擦除类

型后就变成原始的 MyClass 类型了。

翻译泛型表达式

当程序调用泛型方法的时候，如果擦除返回类型，编译器插入强制类型转换。当存取一个泛型域时也要插人强制类型转换。类型擦除也会出现在泛型方法中。

若擦除后泛型方法返回 Object 类型，那么编译器会在字节码中自动插入实际类型的强制类型转换。

约束与局限性

不能用基本类型实例化类型变量

运行时类型查询只适用于原始类型

不能创建参数化类型的数组

不能实例化类型变置

不能使用像 new T(…)，newT[…] 或 T.class 这样的表达式中的类型变量。

最好的解决办法是让调用者提供一个构造器表达式（可以使用反射）。

不能构造泛型数组

就像不能实例化一个泛型实例一样，也不能实例化数组。不过原因有所不同，毕竟数组会填充 null 值，构造时看上去是安全的。不过，数组本身也有类型，用来监控存储在虚拟机中的数组。这个类型会被擦除。

最好的解决办法是让调用者提供一个数组构造器表达式（可以使用反射）。

泛型类的静态上下文中类型变量无效

不能在静态域或方法中引用类型变量。

public class MyClass<T> {
    // 错误用法
    private static T c;
    // 错误用法
    public static void test(T a) {
    }
}

不能抛出或捕获泛型类的实例

泛型类型的继承规则

泛型类可以扩展或实现其他的泛型类。就这一点而言，与普通的类没有什么区别。例如， ArrayList类实现 List接口。

这意味着， 一个 ArrayList 可以被转换为一个 List。但是，如前面所见，一个 ArrayList 不是一个 ArrayList  或 List。

通配符类型

使用通配符类型可以允许类型变量的变化。例如：

MyClass<? extends Person>

表示上面的泛型的类型变量需要是 Person 的子类。

• ：上界通配符，类型变量需要是 Class1 的子类，不能往里存，能往外取。
• ：下界通配符，类型变量需要是 Class1 的父类，不能往外取，能往里存。
• 一种无限的符号，代表任何类型都可以

PECS原则

• 频繁往外读取内容的，适合用上界 Extends。
• 经常往里插入的，适合用下界 Super。

反射和泛型

反射允许你在运行时分析任意的对象。如果对象是泛型类的实例，关于泛型类型变量则得不到太多信息，因为它们会被擦除。

泛型 Class 类

类型变量十分有用 ，这是因为它允许 Class 方法的返回类型更加具有针对性。

newlnstance 方法返回一个实例，这个实例所属的类由默认的构造器获得。它的返回类型目前被声明为 T，其类型与 Class 描述的类相同，这样就免除了类型转换。

如果给定的类型确实是 T 的一个子类型，cast 方法就会返回一个现在声明为类型 T的对象，否则，抛出一个 BadCastException 异常。

如果这个类不是 enum 类或类型 T 的枚举值的数组，getEnumConstants 方法将返回 null。

getConstructor 与 getDeclaredConstructor 方法返回一个 Constructor对象。Constructor 类也已经变成泛型，以便 newlnstance 方法有一个正确的返回类型。

虚拟机中的泛型类型信息

Java 泛型的卓越特性之一是在虚拟机中泛型类型的擦除。令人感到奇怪的是，擦除的类仍然保留一些泛型祖先的微弱记忆。

可以使用反射 API来确定:

• 这个泛型方法有一个叫做 T 的类型变量。
• 这个类型变量有一个子类型限定，其自身又是一个泛型类型
• 这个限定类型有一个通配符参数
• 这个通配符参数有一个超类型限定
• 这个泛型方法有一个泛型数组参数

为了表达泛型类型声明，使用 java.lang.reflect 包中提供的接口 Type。这个接口包含下列子类型：

• Class类，描述具体类型
• TypeVariable 接口，描述类型变量（如 T extends Comparable ）
• WildcardType 接口，描述通配符（如？super T ）
• ParameterizedType 接口，描述泛型类或接口类型（如 Comparable ）
• GenericArrayType 接口，描述泛型数组（如 T[ ] ）

笔记大部分摘录自《Java核心技术卷I》，含有少数本人修改补充痕迹。