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Java 泛型詳解

來源:ziwenxie.site 發布時間:2017-03-03 閱讀次數:

 引言

  泛型是Java中一個非常重要的知識點,在Java集合類框架中泛型被廣泛應用。本文我們將從零開始來看一下Java泛型的設計,將會涉及到通配符處理,以及讓人苦惱的類型擦除。

 泛型基礎

  泛型類

  我們首先定義一個簡單的Box類:

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里面現在只能裝入String類型的元素,今后如果我們需要裝入Integer等其他類型的元素,還必須要另外重寫一個Box,代碼得不到復用,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類便可以得到復用,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。聲明一個泛型方法很簡單,只要在返回類型前面加上一個類似<K, V>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調用泛型方法:

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

  或者在Java1.7/1.8利用type inference,讓Java自動推導出相應的類型參數:

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

  現在我們要實現這樣一個功能,查找一個泛型數組中大于某個特定元素的個數,我們可以這樣實現:

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,其他的類并不一定能使用操作符>,所以編譯器報錯,那怎么解決這個問題呢?答案是使用邊界符。

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

  做一個類似于下面這樣的聲明,這樣就等于告訴編譯器類型參數T代表的都是實現了Comparable接口的類,這樣等于告訴編譯器它們都至少實現了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,我們首先必須要澄清一個概念,還是借用我們上面定義的Box類,假設我們添加一個這樣的方法:

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

  那么現在Box<Number> n允許接受什么類型的參數?我們是否能夠傳入Box<Integer>或者Box<Double>呢?答案是否定的,雖然Integer和Double是Number的子類,但是在泛型中Box<Integer>或者Box<Double>與Box<Number>之間并沒有任何的關系。這一點非常重要,接下來我們通過一個完整的例子來加深一下理解。

  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 {}

  下面這個例子中,我們創建了一個泛型類Reader,然后在f1()中當我們嘗試Fruit f = fruitReader.readExact(apples);編譯器會報錯,因為List<Fruit>與List<Apple>之間并沒有任何的關系。

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之間肯定是存在聯系,然而編譯器卻無法識別,那怎么在泛型代碼中解決這個問題呢?我們可以通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系也就關聯上了。

  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里面get元素,那么我們可不可以往list里面add元素呢?我們來嘗試一下:

public class GenericsAndCovariance {
    public static void main(String[] args) {
        // Wildcards allow covariance:
        List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
        // Compile Error: can'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樣做,為什么呢?對于這個問題我們不妨從編譯器的角度去考慮。因為List<? extends Fruit> flist它自身可以有多種含義:

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<Orange>();
  • 當我們嘗試add一個Orange的時候,flist可能指向new ArrayList<Apple>();
  • 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,編譯器無法識別所以會報錯。

  所以對于實現了<? extends T>的集合類只能將它視為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元素應該怎么做呢?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();
    }
}

  這樣我們可以往容器里面添加元素了,但是使用super的壞處是以后不能get容器里面的元素了,原因很簡單,我們繼續從編譯器的角度考慮這個問題,對于List<? super Apple> list,它可以有下面幾種含義:

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

  當我們嘗試通過list來get一個Apple的時候,可能會get得到一個Fruit,這個Fruit可以是Orange等其他類型的Fruit。

  根據上面的例子,我們可以總結出一條規律,”Producer Extends, Consumer Super”:

  • “Producer Extends” – 如果你需要一個只讀List,用它來produce T,那么使用? extends T。
  • “Consumer Super” – 如果你需要一個只寫List,用它來consume T,那么使用? super T。
  • 如果需要同時讀取以及寫入,那么我們就不能使用通配符了。

  如何閱讀過一些Java集合類的源碼,可以發現通常我們會將兩者結合起來一起用,比如像下面這樣:

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));
    }
}

 類型擦除

  Java泛型中最令人苦惱的地方或許就是類型擦除了,特別是對于有C++經驗的程序員。類型擦除就是說Java泛型只能用于在編譯期間的靜態類型檢查,然后編譯器生成的代碼會擦除相應的類型信息,這樣到了運行期間實際上JVM根本就知道泛型所代表的具體類型。這樣做的目的是因為Java泛型是1.5之后才被引入的,為了保持向下的兼容性,所以只能做類型擦除來兼容以前的非泛型代碼。對于這一點,如果閱讀Java集合框架的源碼,可以發現有些類其實并不支持泛型。

  說了這么多,那么泛型擦除到底是什么意思呢?我們先來看一下下面這個簡單的例子:

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; }
    // ...
}

  編譯器做完相應的類型檢查之后,實際上到了運行期間上面這段代碼實際上將轉換成:

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; }
    // ...
}

  這意味著不管我們聲明Node<String>還是Node<Integer>,到了運行期間,JVM統統視為Node<Object>。有沒有什么辦法可以解決這個問題呢?這就需要我們自己重新設置bounds了,將上面的代碼修改成下面這樣:

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; }
    // ...
}

  這樣編譯器就會將T出現的地方替換成Comparable而不再是默認的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; }
    // ...
}

  上面的概念或許還是比較好理解,但其實泛型擦除帶來的問題遠遠不止這些,接下來我們系統地來看一下類型擦除所帶來的一些問題,有些問題在C++的泛型中可能不會遇見,但是在Java中卻需要格外小心。

  問題一

  在Java中不允許創建泛型數組,類似下面這樣的做法編譯器會報錯:

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

  為什么編譯器不支持上面這樣的做法呢?繼續使用逆向思維,我們站在編譯器的角度來考慮這個問題。

  我們先來看一下下面這個例子:

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

  對于上面這段代碼還是很好理解,字符串數組不能存放整型元素,而且這樣的錯誤往往要等到代碼運行的時候才能發現,編譯器是無法識別的。接下來我們再來看一下假設Java支持泛型數組的創建會出現什么后果:

Object[] stringLists = new List<String>[];  // compiler error, but pretend it's allowed
stringLists[0] = new ArrayList<String>();   // OK
// An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can't detect it.
stringLists[1] = new ArrayList<Integer>();

  假設我們支持泛型數組的創建,由于運行時期類型信息已經被擦除,JVM實際上根本就不知道new ArrayList<String>()和new ArrayList<Integer>()的區別。類似這樣的錯誤假如出現才實際的應用場景中,將非常難以察覺。

  如果你對上面這一點還抱有懷疑的話,可以嘗試運行下面這段代碼:

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
    }
}

  問題二

  繼續復用我們上面的Node的類,對于泛型代碼,Java編譯器實際上還會偷偷幫我們實現一個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,你可能會認為在類型擦除后,編譯器會將Node和MyNode變成下面這樣:

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);
    }
}

  實際上不是這樣的,我們先來看一下下面這段代碼,這段代碼運行的時候會拋出ClassCastException異常,提示String無法轉換成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;

  如果按照我們上面生成的代碼,運行到第3行的時候不應該報錯(注意我注釋掉了第4行),因為MyNode中不存在setData(String data)方法,所以只能調用父類Node的setData(Object data)方法,既然這樣上面的第3行代碼不應該報錯,因為String當然可以轉換成Object了,那ClassCastException到底是怎么拋出的?

  實際上Java編譯器對上面代碼自動還做了一個處理:

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);
    }
    // ...
}

  這也就是為什么上面會報錯的原因了,setData((Integer) data);的時候String無法轉換成Integer。所以上面第2行編譯器提示unchecked warning的時候,我們不能選擇忽略,不然要等到運行期間才能發現異常。如果我們一開始加上Node<Integer> n = mn就好了,這樣編譯器就可以提前幫我們發現錯誤。

  問題三

  正如我們上面提到的,Java泛型很大程度上只能提供靜態類型檢查,然后類型的信息就會被擦除,所以像下面這樣利用類型參數創建實例的做法編譯器不會通過:

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

  但是如果某些場景我們想要需要利用類型參數創建實例,我們應該怎么做呢?可以利用反射解決這個問題:

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

  我們可以像下面這樣調用:

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

  實際上對于上面這個問題,還可以采用Factory和Template兩種設計模式解決,感興趣的朋友不妨去看一下Thinking in Java中第15章中關于Creating instance of types(英文版第664頁)的講解,這里我們就不深入了。

  問題四

  我們無法對泛型代碼直接使用instanceof關鍵字,因為Java編譯器在生成代碼的時候會擦除所有相關泛型的類型信息,正如我們上面驗證過的JVM在運行時期無法識別出ArrayList<Integer>和ArrayList<String>的之間的區別:

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

  和上面一樣,我們可以使用通配符重新設置bounds來解決這個問題:

public static void rtti(List<?> list) {
    if (list instanceof ArrayList<?>) {  // OK; instanceof requires a reifiable type
        // ...
    }
}
QQ群:WEB開發者官方群(515171538),驗證消息:10000
微信群:加小編微信 849023636 邀請您加入,驗證消息:10000
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