Java泛型講解

　引言

　　泛型是Java中一個非常重要的知識點，在Java集合類別框架中廣泛應用。本文我們將從零開始來看Java泛型的設計，將會涉及通配符處理，以及讓人苦惱的類型擦除。

# 　泛型基礎

　　泛型類別

# 　　我們先定義一個簡單的Box類別：

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裡面現在只能裝入String類型的元素，今後如果我們需要裝入Integer等其他類型的元素，還必須要另外重寫一個Box，程式碼得不到復用，使用泛型可以很好的解決這個問題。

public class Box<T> {
    // 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類別便可以重複使用，我們可以將T替換成任何我們想要的類型：

Box<Integer> integerBox = new Box<Integer>();
Box<Double> doubleBox = new Box<Double>();
Box<String> stringBox = new Box<String>();

　　泛型方法

# 　　看完了泛型類，接下來我們來了解一下泛型方法。宣告一個泛型方法很簡單，只要在回傳型別前面加上一個類似的形式就行了：

public class Util {
    public static <K, V> boolean compare(Pair<K, V> p1, Pair<K, V> p2) {
        return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
               p1.getValue().equals(p2.getValue());
    }
}
public class Pair<K, V> {
    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呼叫泛型方法：

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

　　或在Java1.7/1.8利用type inference，讓Java自動推導出對應的型別參數：

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

　　邊界符號

# 　　現在我們要實作這樣一個功能，找出一個泛型陣列中大於某個特定元素的個數，我們可以這樣實作：

public static <T> 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，其他的類別並不一定能使用運算符>，所以編譯器報錯，那怎麼解決這個問題呢？答案是使用邊界符。

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

　　做一個類似下面這樣的聲明，這樣就等於告訴編譯器類型參數T代表的都是實作了Comparable介面的類，這樣等於告訴編譯器它們都至少實作了compareTo方法。

public static <T extends Comparable<T>> 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，我們首先必須澄清一個概念，還是藉用我們上面定義的Box類，假設我們添加一個這樣的方法：

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

　　那麼現在Box n允許接受什麼類型的參數？我們是否能夠傳入Box或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之間並沒有任何的關係。這一點非常重要，接下來我們透過一個完整的例子來加深理解。

　　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 {}

在下面這個範例中，我們建立了一個泛型類別Reader，然後在f1()中當我們嘗試Fruit f = fruitReader.readExact(apples);編譯器會報錯，因為List與List之間並沒有任何的關係。

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

　　但是按照我們通常的思維習慣，Apple和Fruit之間肯定是存在聯繫，然而編譯器卻無法識別，那怎麼在泛型程式碼中解決這個問題呢？我們可以透過使用通配符來解決這個問題：

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

　　這樣就相當與告訴編譯器， fruitReader的readCovariant方法接受的參數只要是滿足Fruit的子類就行(包括Fruit自身)，這樣子類和父類之間的關係也就關聯上了。

　　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裡面get元素，那麼我們可不可以往list裡面add元素呢？讓我們來試試看：

public class GenericsAndCovariance {
    public static void main(String[] args) {
        // Wildcards allow covariance:
        List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
        // Compile Error: can&#39;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麼做，為什麼呢？對於這個問題我們不妨從編譯器的角度去考慮。因為List extends Fruit> flist它本身可以有多種意義：

List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Fruit>();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Orange>();

• 當我們嘗試add一個Apple的時候，flist可能指向new ArrayList();

• 當我們嘗試add一個Orange的時候，flist可能指向new ArrayList();

• 當我們嘗試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，編譯器無法辨識所以會報錯。

　　所以對於實現了 extends T>的集合類別只能將它視為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元素該怎麼做呢？可以使用 super T>：

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

　　这样我们可以往容器里面添加元素了，但是使用super的坏处是以后不能get容器里面的元素了，原因很简单，我们继续从编译器的角度考虑这个问题，对于List super Apple> list，它可以有下面几种含义：

List<? super Apple> list = new ArrayList<Apple>();
List<? super Apple> list = new ArrayList<Fruit>();
List<? super Apple> list = new ArrayList<Object>();

　　当我们尝试通过list来get一个Apple的时候，可能会get得到一个Fruit，这个Fruit可以是Orange等其他类型的Fruit。

　　根据上面的例子，我们可以总结出一条规律，”Producer Extends, Consumer Super”：

• “Producer Extends” – 如果你需要一个只读List，用它来produce T，那么使用? extends T。

• “Consumer Super” – 如果你需要一个只写List，用它来consume T，那么使用? super T。

• 如果需要同时读取以及写入，那么我们就不能使用通配符了。

　　如何阅读过一些Java集合类的源码，可以发现通常我们会将两者结合起来一起用，比如像下面这样：

public class Collections {
    public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
        for (int i=0; i<src.size(); i++)
            dest.set(i, src.get(i));
    }
}

　类型擦除

　　Java泛型中最令人苦恼的地方或许就是类型擦除了，特别是对于有C++经验的程序员。类型擦除就是说Java泛型只能用于在编译期间的静态类型检查，然后编译器生成的代码会擦除相应的类型信息，这样到了运行期间实际上JVM根本就知道泛型所代表的具体类型。这样做的目的是因为Java泛型是1.5之后才被引入的，为了保持向下的兼容性，所以只能做类型擦除来兼容以前的非泛型代码。对于这一点，如果阅读Java集合框架的源码，可以发现有些类其实并不支持泛型。

　　说了这么多，那么泛型擦除到底是什么意思呢？我们先来看一下下面这个简单的例子：

public class Node<T> {
    private T data;
    private Node<T> next;
    public Node(T data, Node<T> next) }
        this.data = data;
        this.next = next;
    }
    public T getData() { return data; }
    // ...
}

　　编译器做完相应的类型检查之后，实际上到了运行期间上面这段代码实际上将转换成：

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; }
    // ...
}

　　这意味着不管我们声明Node还是Node，到了运行期间，JVM统统视为Node

public class Node<T extends Comparable<T>> {
    private T data;
    private Node<T> next;
    public Node(T data, Node<T> next) {
        this.data = data;
        this.next = next;
    }
    public T getData() { return data; }
    // ...
}

　　这样编译器就会将T出现的地方替换成Comparable而不再是默认的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; }
    // ...
}

　　上面的概念或许还是比较好理解，但其实泛型擦除带来的问题远远不止这些，接下来我们系统地来看一下类型擦除所带来的一些问题，有些问题在C++的泛型中可能不会遇见，但是在Java中却需要格外小心。

　　问题一

　　在Java中不允许创建泛型数组，类似下面这样的做法编译器会报错：

List<Integer>[] arrayOfLists = new List<Integer>[2];  // compile-time error

　　为什么编译器不支持上面这样的做法呢？继续使用逆向思维，我们站在编译器的角度来考虑这个问题。

　　我们先来看一下下面这个例子：

Object[] strings = new String[2];
strings[0] = "hi";   // OK
strings[1] = 100;    // An ArrayStoreException is thrown.

　　对于上面这段代码还是很好理解，字符串数组不能存放整型元素，而且这样的错误往往要等到代码运行的时候才能发现，编译器是无法识别的。接下来我们再来看一下假设Java支持泛型数组的创建会出现什么后果：

Object[] stringLists = new List<String>[];  // compiler error, but pretend it&#39;s allowed
stringLists[0] = new ArrayList<String>();   // OK
// An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can&#39;t detect it.
stringLists[1] = new ArrayList<Integer>();

　　假设我们支持泛型数组的创建，由于运行时期类型信息已经被擦除，JVM实际上根本就不知道new ArrayList()和new ArrayList()的区别。类似这样的错误假如出现才实际的应用场景中，将非常难以察觉。

　　如果你对上面这一点还抱有怀疑的话，可以尝试运行下面这段代码：

public class ErasedTypeEquivalence {
    public static void main(String[] args) {
        Class c1 = new ArrayList<String>().getClass();
        Class c2 = new ArrayList<Integer>().getClass();
        System.out.println(c1 == c2); // true
    }
}

　　问题二

　　继续复用我们上面的Node的类，对于泛型代码，Java编译器实际上还会偷偷帮我们实现一个Bridge method。

public class Node<T> {
    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<Integer> {
    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，你可能会认为在类型擦除后，编译器会将Node和MyNode变成下面这样：

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);
    }
}

　　实际上不是这样的，我们先来看一下下面这段代码，这段代码运行的时候会抛出ClassCastException异常，提示String无法转换成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;

　　如果按照我们上面生成的代码，运行到第3行的时候不应该报错(注意我注释掉了第4行)，因为MyNode中不存在setData(String data)方法，所以只能调用父类Node的setData(Object data)方法，既然这样上面的第3行代码不应该报错，因为String当然可以转换成Object了，那ClassCastException到底是怎么抛出的？

　　实际上Java编译器对上面代码自动还做了一个处理：

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);
    }
    // ...
}

　　这也就是为什么上面会报错的原因了，setData((Integer) data);的时候String无法转换成Integer。所以上面第2行编译器提示unchecked warning的时候，我们不能选择忽略，不然要等到运行期间才能发现异常。如果我们一开始加上Node n = mn就好了，这样编译器就可以提前帮我们发现错误。

　　问题三

　　正如我们上面提到的，Java泛型很大程度上只能提供静态类型检查，然后类型的信息就会被擦除，所以像下面这样利用类型参数创建实例的做法编译器不会通过：

public static <E> void append(List<E> list) {
    E elem = new E();  // compile-time error
    list.add(elem);
}

　　但是如果某些场景我们想要需要利用类型参数创建实例，我们应该怎么做呢？可以利用反射解决这个问题：

public static <E> void append(List<E> list, Class<E> cls) throws Exception {
    E elem = cls.newInstance();   // OK
    list.add(elem);
}

　　我们可以像下面这样调用：

List<String> ls = new ArrayList<>();
append(ls, String.class);

　　实际上对于上面这个问题，还可以采用Factory和Template两种设计模式解决，感兴趣的朋友不妨去看一下Thinking in Java中第15章中关于Creating instance of types(英文版第664页)的讲解，这里我们就不深入了。

　　问题四

　　我们无法对泛型代码直接使用instanceof关键字，因为Java编译器在生成代码的时候会擦除所有相关泛型的类型信息，正如我们上面验证过的JVM在运行时期无法识别出ArrayList和ArrayList的之间的区别：

public static <E> void rtti(List<E> list) {
    if (list instanceof ArrayList<Integer>) {  // compile-time error
        // ...
    }
}
=> { ArrayList<Integer>, ArrayList<String>, LinkedList<Character>, ... }

　　和上面一样，我们可以使用通配符重新设置bounds来解决这个问题：

public static void rtti(List<?> list) {
    if (list instanceof ArrayList<?>) {  // OK; instanceof requires a reifiable type
        // ...
    }
}

               

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