聊聊Java的泛型及實現(xiàn)
泛型基礎(chǔ)
泛型是對Java語言類型系統(tǒng)的一種擴展，有點類似于C++的模板，可以把類型參數(shù)看作是使用參數(shù)化類型時指定的類型的一個占位符。引入泛型，是對Java語言一個較大的功能增強，帶來了很多的好處：
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類型安全。類型錯誤現(xiàn)在在編譯期間就被捕獲到了，而不是在運行時當(dāng)作java.lang.ClassCastException展示出來，將類型檢查從運行時挪到編譯時有助于開發(fā)者更容易找到錯誤，并提高程序的可靠性
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消除了代碼中許多的強制類型轉(zhuǎn)換，增強了代碼的可讀性
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為較大的優(yōu)化帶來了可能
泛型是什么并不會對一個對象實例是什么類型的造成影響，所以，通過改變泛型的方式試圖定義不同的重載方法是不可以的。剩下的內(nèi)容我不會對泛型的使用做過多的講述，泛型的通配符等知識請自行查閱。
在進入下面的論述之前我想先問幾個問題：
- 定義一個泛型類***到底會生成幾個類，比如ArrayList<T>到底有幾個類
- 定義一個泛型方法最終會有幾個方法在class文件中
- 為什么泛型參數(shù)不能是基本類型呢
- ArrayList<Integer>是一個類嗎
- ArrayList<Integer>和List<Integer>和ArrayList<Number>和List<Number>是什么關(guān)系呢，這幾個類型的引用能相互賦值嗎
類型擦除
正確理解泛型概念的首要前提是理解類型擦除（type erasure）。 Java中的泛型基本上都是在編譯器這個層次來實現(xiàn)的。在生成的Java字節(jié)代碼中是不包含泛型中的類型信息的。使用泛型的時候加上的類型參數(shù)，會被編譯器在編譯的時候去掉。這個過程就稱為類型擦除。如在代碼中定義的List<Object>和List<String>等類型，在編譯之后都會變成List。JVM看到的只是List，而由泛型附加的類型信息對JVM來說是不可見的。Java編譯器會在編譯時盡可能的發(fā)現(xiàn)可能出錯的地方，但是仍然無法避免在運行時刻出現(xiàn)類型轉(zhuǎn)換異常的情況。類型擦除也是Java的泛型實現(xiàn)方式與C++模板機制實現(xiàn)方式之間的重要區(qū)別。
很多泛型的奇怪特性都與這個類型擦除的存在有關(guān)，包括：
- 泛型類并沒有自己獨有的Class類對象。比如并不存在List<String>.class或是List<Integer>.class，而只有List.class。
- 靜態(tài)變量是被泛型類的所有實例所共享的。對于聲明為MyClass<T>的類，訪問其中的靜態(tài)變量的方法仍然是 MyClass.myStaticVar。不管是通過new MyClass<String>還是new MyClass<Integer>創(chuàng)建的對象，都是共享一個靜態(tài)變量。
- 泛型的類型參數(shù)不能用在Java異常處理的catch語句中。因為異常處理是由JVM在運行時刻來進行的。由于類型信息被擦除，JVM是無法區(qū)分兩個異常類型MyException<String>和MyException<Integer>的。對于JVM來說，它們都是 MyException類型的。也就無法執(zhí)行與異常對應(yīng)的catch語句。
類型擦除的基本過程也比較簡單，首先是找到用來替換類型參數(shù)的具體類。這個具體類一般是Object。如果指定了類型參數(shù)的上界的話，則使用這個上界。把代碼中的類型參數(shù)都替換成具體的類。同時去掉出現(xiàn)的類型聲明，即去掉<>的內(nèi)容。比如T get()方法聲明就變成了Object get()；List<String>就變成了List。
泛型的實現(xiàn)原理
因為種種原因，Java不能實現(xiàn)真正的泛型，只能使用類型擦除來實現(xiàn)偽泛型，這樣雖然不會有類型膨脹（C++模板令人困擾的難題）的問題，但是也引起了許多新的問題。所以，Sun對這些問題作出了許多限制，避免我們犯各種錯誤。
保證類型安全
首先***個是泛型所宣稱的類型安全，既然類型擦除了，如何保證我們只能使用泛型變量限定的類型呢？java編譯器是通過先檢查代碼中泛型的類型，然后再進行類型擦除，在進行編譯的。那類型檢查是針對誰的呢，讓我們先看一個例子。
- ArrayList<String> arrayList1=new ArrayList(); // 正確，只能放入String
- ArrayList arrayList2=new ArrayList<String>(); // 可以放入任意Object
這樣是沒有錯誤的，不過會有個編譯時警告。不過在***種情況，可以實現(xiàn)與 完全使用泛型參數(shù)一樣的效果，第二種則完全沒效果。因為，本來類型檢查就是編譯時完成的。new ArrayList()只是在內(nèi)存中開辟一個存儲空間，可以存儲任何的類型對象。而真正涉及類型檢查的是它的引用，因為我們是使用它引用arrayList1 來調(diào)用它的方法，比如說調(diào)用add()方法。所以arrayList1引用能完成泛型類型的檢查。 而引用arrayList2沒有使用泛型，所以不行。
類型檢查就是針對引用的，誰是一個引用，用這個引用調(diào)用泛型方法，就會對這個引用調(diào)用的方法進行類型檢測，而無關(guān)它真正引用的對象。
實現(xiàn)自動類型轉(zhuǎn)換
因為類型擦除的問題，所以所有的泛型類型變量***都會被替換為原始類型。這樣就引起了一個問題，既然都被替換為原始類型，那么為什么我們在獲取的時候，不需要進行強制類型轉(zhuǎn)換呢？
- public class Test {
- public static void main(String[] args) {
- ArrayList<Date> list=new ArrayList<Date>();
- list.add(new Date());
- Date myDate=list.get(0);
- }
- }
編譯器生成的class文件中會在你調(diào)用泛型方法完成之后返回調(diào)用點之前加上類型轉(zhuǎn)換的操作，比如上文的get函數(shù)，就是在get方法完成后，jump回原本的賦值操作的指令位置之前加入了強制轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的類型由編譯器推導(dǎo)。
泛型中的繼承關(guān)系
先看一個例子：
- class DateInter extends A<Date> {
- @Override
- public void setValue(Date value) {
- super.setValue(value);
- }
- @Override
- public Date getValue() {
- return super.getValue();
- }
- }
先來分析setValue方法，父類的類型是Object，而子類的類型是Date，參數(shù)類型不一樣，這如果實在普通的繼承關(guān)系中，根本就不會是重寫，而是重載。
- public void setValue(java.util.Date); //我們重寫的setValue方法
- Code:
- 0: aload_0
- 1: aload_1
- 2: invokespecial #16 // invoke A setValue
- :(Ljava/lang/Object;)V
- 5: return
- public java.util.Date getValue(); //我們重寫的getValue方法
- Code:
- 0: aload_0
- 1: invokespecial #23 // A.getValue
- :()Ljava/lang/Object;
- 4: checkcast #26
- 7: areturn
- public java.lang.Object getValue(); //編譯時由編譯器生成的方法
- Code:
- 0: aload_0
- 1: invokevirtual #28 // Method getValue:() 去調(diào)用我們重寫的getValue方法
- ;
- 4: areturn
- public void setValue(java.lang.Object); //編譯時由編譯器生成的方法
- Code:
- 0: aload_0
- 1: aload_1
- 2: checkcast #26
- 5: invokevirtual #30 // Method setValue; 去調(diào)用我們重寫的setValue方法
- )V
- 8: return
并且，還有一點也許會有疑問，子類中的方法 Object getValue()和Date getValue()是同 時存在的，可是如果是常規(guī)的兩個方法，他們的方法簽名是一樣的，也就是說虛擬機根本不能分別這兩個方法。如果是我們自己編寫Java代碼，這樣的代碼是無法通過編譯器的檢查的，但是虛擬機卻是允許這樣做的，因為虛擬機通過參數(shù)類型和返回類型來確定一個方法，所以編譯器為了實現(xiàn)泛型的多態(tài)允許自己做這個看起來“不合法”的事情，然后交給虛擬器去區(qū)別。
我們再看一個經(jīng)常出現(xiàn)的例子。
- class A {
- Object get(){
- return new Object();
- }
- }
- class B extends A {
- @Override
- Integer get() {
- return new Integer(1);
- }
- }
- public static void main(String[] args){
- A a = new B();
- B b = (B) a;
- A c = new A();
- a.get();
- b.get();
- c.get();
- }
反編譯之后的結(jié)果
- 17: invokespecial #5 // Method com/suemi/network/test/A."<init>":()V
- 20: astore_3
- 21: aload_1
- 22: invokevirtual #6 // Method com/suemi/network/test/A.get:()Ljava/lang/Object;
- 25: pop
- 26: aload_2
- 27: invokevirtual #7 // Method com/suemi/network/test/B.get:()Ljava/lang/Integer;
- 30: pop
- 31: aload_3
- 32: invokevirtual #6 // Method com/suemi/network/test/A.get:()Ljava/lang/Object;
實際上當(dāng)我們使用父類引用調(diào)用子類的get時，先調(diào)用的是JVM生成的那個覆蓋方法，在橋接方法再調(diào)用自己寫的方法實現(xiàn)。
泛型參數(shù)的繼承關(guān)系
在Java中，大家比較熟悉的是通過繼承機制而產(chǎn)生的類型體系結(jié)構(gòu)。比如String繼承自O(shè)bject。根據(jù)Liskov替換原則，子類是可以替換父類的。當(dāng)需要Object類的引用的時候，如果傳入一個String對象是沒有任何問題的。但是反過來的話，即用父類的引用替換子類引用的時候，就需要進行強制類型轉(zhuǎn)換。編譯器并不能保證運行時刻這種轉(zhuǎn)換一定是合法的。這種自動的子類替換父類的類型轉(zhuǎn)換機制，對于數(shù)組也是適用的。 String[]可以替換Object[]。但是泛型的引入，對于這個類型系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的影響。正如前面提到的List<String>是不能替換掉List<Object>的。
引入泛型之后的類型系統(tǒng)增加了兩個維度：一個是類型參數(shù)自身的繼承體系結(jié)構(gòu)，另外一個是泛型類或接口自身的繼承體系結(jié)構(gòu)。***個指的是對于 List<String>和List<Object>這樣的情況，類型參數(shù)String是繼承自O(shè)bject的。而第二種指的是 List接口繼承自Collection接口。對于這個類型系統(tǒng)，有如下的一些規(guī)則：
相同類型參數(shù)的泛型類的關(guān)系取決于泛型類自身的繼承體系結(jié)構(gòu)。即List<String>可以賦給Collection<String> 類型的引用，List<String>可以替換Collection<String>。這種情況也適用于帶有上下界的類型聲明。 當(dāng)泛型類的類型聲明中使用了通配符的時候， 這種替換的判斷可以在兩個維度上分別展開。如對Collection<? extends Number>來說，用來替換他的引用可以在Collection這個維度上展開，即List<? extends Number>和Set<? extends Number>等；也可以在Number這個層次上展開，即Collection<Double>和 Collection<Integer>等。如此循環(huán)下去，ArrayList<Long>和 HashSet<Double>等也都可以替換Collection<? extends Number>。
如果泛型類中包含多個類型參數(shù)，則對于每個類型參數(shù)分別應(yīng)用上面的規(guī)則。理解了上面的規(guī)則之后，就可以很容易的修正實例分析中給出的代碼了。只需要把List<Object>改成List<?>即可。List<String>可以替換List<?>的子類型，因此傳遞參數(shù)時不會發(fā)生錯誤。
個人認為這里對上面這種情形使用子類型這種說法來形容這種關(guān)系是不當(dāng)?shù)?，因為List<String>等本質(zhì)上來說不能算作類型，只是對List類型加上了編譯器檢查約束，也就不存在子類型這種說法。只能用是否在賦值時能夠進行類型轉(zhuǎn)換來說明。
泛型使用中的注意點
運行時型別查詢
- // 錯誤，為類型擦除之后，ArrayList<String>只剩下原始類型，泛型信息String不存在了，無法進行判斷
- if( arrayList instanceof ArrayList<String>)
- if( arrayList instanceof ArrayList<?>) // 正確
異常中使用泛型的問題
- 不能拋出也不能捕獲泛型類的對象。事實上，泛型類擴展Throwable都不合法。為什么不能擴展Throwable，因為異常都是在運行時捕獲和拋出的，而在編譯的時候，泛型信息全都會被擦除掉。類型信息被擦除后，那么多個使用不同泛型參數(shù)地方的catch都變?yōu)樵碱愋蚈bject，那么也就是說，多個地方的catch變的一模一樣，這自然不被允許。
- 不能再catch子句中使用泛型變量。
- public static <T extends Throwable> void doWork(Class<T> t){
- try{
- ...
- }catch(T e){ //編譯錯誤 T->Throwable，下面的永遠不會被捕獲，所以不被允許
- ...
- }catch(IndexOutOfBounds e){
- }
- }
不允許創(chuàng)建泛型類數(shù)組
- Pair<String,Integer>[] table = new Pair<String,Integer>[10];// 編譯錯誤
- Pair[] table = new Pair[10];// 無編譯錯誤
由于數(shù)組必須攜帶自己元素的類型信息，在類型擦除之后，Pair<String,Integer>數(shù)組就變成了Pair<Object,Object>數(shù)組，數(shù)組只能攜帶它的元素是Pair這樣的信息，但是并不能攜帶其泛型參數(shù)類型的信息，所以也就無法保證table[i]賦值的類型安全。編譯器只能禁用這種操作。
泛型類中的靜態(tài)方法和靜態(tài)變量
泛型類中的靜態(tài)方法和靜態(tài)變量不可以使用泛型類所聲明的泛型類型參數(shù)。
- public class Test2<T> {
- public static T one; //編譯錯誤
- public static T show(T one){ //編譯錯誤
- return null;
- }
- }
因為泛型類中的泛型參數(shù)的實例化是在定義對象的時候指定的，而靜態(tài)變量和靜態(tài)方法不需要使用對象來調(diào)用。對象都沒有創(chuàng)建，如何確定這個泛型參數(shù)是何種類型，所以當(dāng)然是錯誤的。
類型擦除后的沖突
- class Pair<T> {
- public boolean equals(T value) {
- return null;
- }
- }
方法重定義了，同時存在兩個equals(Object o)。
