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java泛型深度解读

简介: 简介 泛型是Java SE 1.5的新特性,泛型的本质是参数化类型 ( type parameters ),也就是说所操作的数据类型被指定为一个参数,这种参数类型可以用在类、接口和方法的创建中.
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简介

泛型是Java SE 1.5的新特性,泛型的本质是参数化类型 ( type parameters ),也就是说所操作的数据类型被指定为一个参数,这种参数类型可以用在类、接口和方法的创建中.

在泛型类中定义参数化类型,在泛型表达式中,需要指定具体类型,即泛型在使用过程中将会被替换为具体的类型.

// 定义 参数类型
class ArrayList<E>
// 使用中 指定具体类型
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

原始类型(raw type) : 就是去掉参数类型后的类,如示例中的ArrayList.

为什么需要泛型

我们来看一个例子:

        List list = new ArrayList();
        // 下列的添加方法完全没问题
        list.add("one");
        list.add(1);

        // 取的时候, 如果你小心的,也没问题
        // 需要强转, 内部是以Object引用来存放
        String s = (String) list.get(0);
        int    i = (int) list.get(1);

        // 但是如果, 不小心在获取时 类型判断出错的话
        for (int index = 0; index < list.size(); index++) {
            String str = (String) list.get(index);
            // index = 1时, 抛出java.lang.ClassCastException: java.lang.Integer cannot be cast to java.lang.String
        }

上诉方式,有两个问题.

  1. 由于java是静态语言,应该尽量避免在一个容器数组中,添加不相干的类型实例.否则可能引起类型转换错误.
  2. 这种方式,没有类型检查,只能够在运行时候,系统抛出异常后,你才会发现错误.

接下来使用泛型:

        List<Animal> list = new ArrayList<>();
        // 可以添加Animal及其子类
        list.add(new Animal());
        list.add(new Tiger());
        // 编译器进行类型检査,避免插人错误类型的对象
        // 编译时期报错,
        list.add("one");

可以看出,泛型只允许添加 声明的类及其子类,其他无关类无法加入到list中,并且尝试将其他类型加入列表,将在编译时直接报错.

由此可以看出泛型的特点:

  1. 能够对类型进行限定
  2. 在编译期对类型进行检查,编译时报错
  3. 对于获取明确的限定类型,无需进行强制类型转化
  4. 具有良好的可读性和安全性

泛型类

一个泛型类 ( generic class ) 就是具有一个或多个类型变量的类.定义的变量用尖括号 <> 括起来,放在类名的后面.

public class Holder<T> {
    private T obj;
    public Holder(T t) {
        obj = t;
    }
    public void put(T t) {
        obj = t;
    }
    public T get() {
        return obj;
    }
}

泛型定义的类型变量,可以在 成员变量, 方法参数, 局部变量, 方法返回值中使用.
要注意的是,静态变量和静态方法中,不能使用类中定义的泛型参数.

这里的 T 可以代表任意类型(Object或其子类),需要注意的是,基本数据类型不能够使用泛型,需要使用它们对应的包装类(wrapper Class)

用具体的类型替换类型变量就可以实例化泛型类型,如

Holder<String> holder = new Holder<>();

泛型接口

泛型接口与泛型类对比区别别是,泛型接口中不能使用 类型参数作为成员变量.

泛型类的继承

当父类为泛型类或者接口时,子类可以使用具体类型来继承父类,也可以使用类型参数继承父类

public interface Parent<T> {
    ...
// ======
// 使用具体类型来继承父类
public class Son implements Parent<Animal> {
    ...
// ======
// 使用类型参数继承父类
public class Son<E> implements Parent<E> {
    ...

但是要注意, 一个类不能实现同一个泛型接口的两种变体,由于类型擦除的原因,这两个变体会成为县宫廷的接口

// Error
public class Son implements Parent<Animal> {
    ...
// ========= Error
public class Child extends Son implements Parent<String> {
    ...

这种方式,Child是实现了Parent<Animal>Parent<String>,是不允许的.

泛型方法

除了泛型类,还可以声明一个泛型方法. 泛型方法可以在泛型类中声明,也可以在普通方法中声明.

注意的是,静态方法中,只能使用方法中定义的类型参数,而不能使用泛型类中的类型参数.

// 普通类中的泛型方法
public class Normal {
    // 成员泛型方法
    public <E> String getString(E e) {
        return e.toString();
    }
    // 静态泛型方法
    public static <V> void printString(V v) {
        System.out.println(v.toString());
    }
}
// 泛型类中的泛型方法
public class Generics<T> {
    // 成员泛型方法
    public <E> String getString(E e) {
        return e.toString();
    }
    // 静态泛型方法
    public static <V> void printString(V v) {
        System.out.println(v.toString());
    }
}

一个原则:在能达到目的的情况下,尽量使用泛型方法。即,如果使用泛型方法可以取代将整个类泛化,那么应该有限采用泛型方法。

泛型类中的参数类型和泛型方法中的参数类型,即使声明为相同的类型参数,如T,两者的类型不会相互影响,甚至可以说没有任何关联.方法中的类型,由传入的参数决定,与泛型类的类型无关.

// 泛型类中的类型参数 用 T 表示
public class Holder<T> {
    ...
    // 成员泛型方法, 声明的类型参数,也用 T 表示
    public <T> String getString(T t) {
        return t.toString();
    }
}
public static void main(String[] args) {
        // 泛型类为 Animal
        Holder<Animal> holder = new Holder<>(new Animal());
        // 泛型方法为 Vegetation
        String s = holder.getString(new Vegetation());
        System.out.println(s);
        // I'm Vegetation
    }

泛型方法的使用过程中,无需对类型进行声明,它可以根据传入的参数,自动判断.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 指定类型
        Main.<String>printString("one");
        // 不指定,自动推倒
        Main.printString("two");
    }
    static <T> void printString(T t) {
        System.out.println(t.toString());
    }
}

类型变量的限定

对于类型变量没有限定的泛型类或方法, 它是默认继承自Object,当没有传入具体类型时,它有的能力只有Object类中的几个默认方法实现.

如果我们要实现一个方法, 传入两个参数,返回其中大的一个,即max()函数.

public static void main(String[] args) {
        // 传入 4 , 2 , 自动装箱成Integer类
        int r = max(4, 2);
    }
static <T> T max(T t1,T t2){
        // Cannot resolve method 'compareTo(T)'
        return t1.compareTo(t2) > 0 ? t1 : t2;
    }

如果没有对类型进行限定,它默认只有Object能力,它没有compareTo方法,因此没有比较能力,此时,即使在调用的时候传入可以比较的对象, max方法会在编译器报错.

此时, 我们就需要对 类型参数进行限定,让它能够默认拥有一些类的"能力".

    public static void main(String[] args) {
        // 传入 4 , 2 , 自动装箱成Integer类
        int r = max(4, 2);
        // r = 4
    }
    // 继承 Comparable 的类具有比较功能,能够比较大小 , 该函数返回传入的最大值
    static <T extends Comparable<T>> T max(T t1, T t2) {
        return t1.compareTo(t2) > 0 ? t1 : t2;
    }

从代码中可以看出, T 被限定为Comparable的子类(Comparable类本身是泛型类,也需要对他进行类型参数声明,否则会引发编译警告.),因此它拥有了 父类Comparable有的能力,即比较功能,这样我们才能得到正确的结果.

类型参数的限定 可以记为 <T extends BoundingType>,由于java有单继承类多实现接口的特点,因此还可以有多个限定. <T extends BoundingType1 & BoundingType2 & ...>

在 Java 的继承中, 可以拥有多个接口超类型, 但限定中至多有一个类。 如果用 一个类作为限定, 它必须是限定列表中的第一个.

泛型的实现原理

java中泛型的实现是采用 类型擦除 的方式实现.

所谓的类型擦除,就是程序在编译阶段,编译器会对泛型变量进行擦除(erased)操作,并替换为限定类型 (没有限定的变量用 Object);泛型类也将擦除为原始类型; 在泛型表达式中(泛型的使用),会将类型替换为具体的类型(此时将发生强制转换)

下面我们通过,反编译泛型类的方式来揭开类型擦除的面纱.
使用jad -sjava Holder.class来反编译Holder类.

// 泛型类
public class Holder<T> {
    private T obj;
    public void put(T t) {
        obj = t;
    }
    public T get() {
        return obj;
    }
}
// 泛型使用
public static void main(String[]args){
        Holder<Animal> holder=new Holder<>();
        holder.put(new Tiger());
        // 在使用过程中没有发生强转
        Animal animal=holder.get();
        }
// ---------------------------------
// 反编译出来的类, 它的类型被擦除为Object
public class Holder {
    private Object obj;
    public Holder() {
    }
    public void put(Object t) {
        obj = t;
    }
    public Object get() {
        return obj;
    }
}
public static void main(String args[]){
        Holder holder=new Holder();
        holder.put(new Tiger());
        // 泛型的使用过程中,使用强制转换为目标类型
        Animal animal=(Animal)holder.get();
        }
// -------------------------------------
// javap 反汇编对main方法,到处的指令码
public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
        0:new           #2                  // class generics/Holder
        3:dup
        4:invokespecial #3                  // Method generics/Holder."<init>":()V
        7:astore_1
        8:aload_1
        9:new           #4                  // class bean/Tiger
        12:dup
        13:invokespecial #5                  // Method bean/Tiger."<init>":()V
        16:invokevirtual #6                  // Method generics/Holder.put:(Ljava/lang/Object;)V
        19:aload_1
        20:invokevirtual #7                  // Method generics/Holder.get:()Ljava/lang/Object;
        23:checkcast     #8                  // class bean/Animal
        26:astore_2
        27:return

由上述反编译的代码可以看出,泛型类被擦除为 原始类型;

泛型类中的类型参数变量也擦除为Object类型;

泛型的表达式中,发生了强制转换为目标类型.
从反汇编代码中可以看出,holder.get()方法,被分解为两条指令.
1. 原始类型调用方法,对应 invokevirtual指令
2. Object类型强制转换为Animal类型,对应 checkcast指令

如果限定为 T extends Animal,则类型参数变量将被擦除为限定类型Animal.

// 泛型类
public class Holder<T extends Animal> {
    private T obj;
    ...
// 反编译类
public class Holder {
    private Animal obj;
    ...

java泛型的局限

  1. 不能用基本类型实例化类型参数

泛型中的 类型参数在没有限定的情况下 是默认 擦除为 Object,而基本类型变量无法转化为 Object类型.

不过没关系, java中8中基本类型,都有其对应的包装类(Wrapper Class), 并且基本类型 使用参数传递是,将被 (自动装箱)AutoBoxing 为包装类型.

  1. 运行时,无法对类型参数进行检查

由于编译时,擦除了类型参数, 因此,所有的类型查询只产生原始类型.
因此,一下的语句是不可行的.

Holder<Tiger> holder = new Holder<>(new Tiger());
        // ERROR 无法对类型参数进行判断
        if (holder instanceof Holder<Tiger>) ;
        if (holder instanceof Holder<T>) ;

由于类型擦除,Holder<String>Holder<Animal>的实例,获取的类都是原始类,是一样的,所以他们的getClass()方法的返回是一样的.

  1. 不能直接创建参数化类型的数组

如这样的代码Holder<Animal>[] holders = new Holder<Animal>[2],是通过不了编译的.

但是,可以通过以下方式来创建数组,不会报错,只是受到警告

// 使用原始类型而后强制转换
Holder<Animal>[] holders = (Holder<Animal>[]) new Holder[2];
// 使用通配符而后强制转换
Holder<Animal>[] holders = (Holder<Animal>[]) new Holder<?>[2];
  1. 不能够实例化类型变量

这样的语句T t = new T()T t = new Object(),是通过不了编译的,一定要在泛型表达式中申明了具体类型,才能创建.

某些情况下,我们需要创建 参数类型的变量, 那么前提是一定要知道被创建的类型.可以通过以下两种方式来创建:

  • 反射创建
    // 使用(如) newObject(Animal.class);
    static <T> T newObject(Class<T> cls) throw Exception{
        return cls.newInstance();
    }
  • jdk8以后,可使用构造器表达式
    // 使用(如) newObject(Animal::new);
    static <T> T newObject(Supplier<T> constr) {
        return constr.get();
    }
  1. 不能构造泛型数组

不能直接实例化 类型数组,如T[] arr = new T[2].

但是可以这样 T[] arr = new Object[2], 原因是数组本身也有类型,用来监控存储在虚拟机
中的数组,这个类型会被擦除为Object.

虽然这种方式能够创建泛型数组,但是为了类型安全起见,最好提供构造器来实现泛型数据的创建.

    // 使用构造器
    // 使用(如) newArray(Animal[]::new, 2);
    static <T> T[] newArray(IntFunction<T[]> constr, int length) {
        return constr.apply(length);
    }
    // 使用反射
    // 使用(如) newArray(String.class, 2);
    static <T> T[] newArray(Class<T> cls, int length) throws Exception {
        return (T[]) Array.newInstance(cls, length);
    }
  1. 不能在静态变量和静态方法中,使用泛型类中的类型参数

如以下的方式都不允许

public class Test<T> {
    // Error
    private static T t;
    // Error
    public static T test() {
        T t;
    }
}
  1. 注意擦除后的冲突
  • 由于类型擦除,方法重写时,会下列冲突.
public class Holder<T> {
    public boolean equals(T t) {
        ...
    }

由于类型擦除,该方法会被擦除为boolean equals(Object t),这和Object类中的equals方法完全冲突了,返回值和方法名,参数都一致了.

这种冲突,解决方案只能是,将方法重命名!

  • 由于类型擦除,方法重载时,也可能发生冲突.

再观察下面的代码:

public interface Parent<T> {
    T get();
}
public class Son implements Parent<Animal> {
    @Override
    public Animal get() {
        return new Animal();
    }
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Parent<Animal> parent = new Son();
        Animal animal = parent.get();
    }
}

父类中根据类型擦除, 拥有Object get()方法, 子类传入具体的类型参数,拥有Animal get()方法,且继承父类方法,所以子类中同时拥有这两个方法.

这两个方法,方法参数相同,就只有返回值类型不一样.
在java语法中,是不允许这样的两个方法同时在一个类中存在,会把他们认为是同一种方法(方法签名根据方法参数和方法名来确定).
但是jvm却能分辨,jvm的方法签名,是通过方法参数,方法返回值,方法名来确定的,所以jvm允许这样的方法存在, 因此,对于这种冲突,不需要我们自己来处理, jvm通过一种称为 Bridge Method的方式来实现这种方式下的多态调用冲突.

感兴趣的可以查看,笔者的另一篇文章java中多态的实现原理.

为什么使用 类型擦除来实现泛型

因为,泛型提出来时,已经是java1.5的版本,java已经经历过10年的发展,java遗留的代码量可想而知.

为了兼容这部分的(旧)代码,而不得不采用这种方式来实现.

通配符 <?> <? extends T> <? super T>

泛型通配符解释起来比较复杂,这里就不进行展开,感兴趣的可以查看笔者的另一篇文章java泛型通配符详解及实践

引用

  1. java核心技术 卷1(第10版)

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