Java 泛型进阶

擦除

在泛型代码内部，无法获得任何有关泛型参数类型的信息。

例子1：

//这个例子表明编译过程中并没有根据参数生成新的类型
public class Main2 {
　　public static void main(String[] args) {
　　　　Class c1 = new ArrayList<Integer>().getClass();
　　　　Class c2 = new ArrayList<String>().getClass();
　　　　System.out.print(c1 == c2);
　　}
}
/* output
true
*/

在 List<String> 中添加 Integer 将不会通过编译，但是List<Sring>与List<Integer>在运行时的确是同一种类型。

例子2：

//例子, 这个例子表明类的参数类型跟传进去的类型没有关系，泛型参数只是`占位符`
public class Table {
}
public class Room {
}
public class House<Q> {
}
public class Particle<POSITION, MOMENTUM> {
}
public class Main {
　　public static void main(String[] args) {
　　　　List<Table> tableList = new ArrayList<Table>();
　　　　Map<Room, Table> maps = new HashMap<Room, Table>();
　　　　House<Room> house = new House<Room>();
　　　　Particle<Long, Double> particle = new Particle<Long, Double>();
　　　　System.out.println(Arrays.toString(tableList.getClass().getTypeParameters()));
　　　　System.out.println(Arrays.toString(maps.getClass().getTypeParameters()));
　　　　System.out.println(Arrays.toString(house.getClass().getTypeParameters()));
　　　　System.out.println(Arrays.toString(particle.getClass().getTypeParameters()));
　　}
}
/** output
[E]
[K, V]
[Q]
[POSITION, MOMENTUM]
*/

我们在运行期试图获取一个已经声明的类的类型参数，发现这些参数依旧是‘形参’，并没有随声明改变。也就是说在运行期，我们是拿不到已经声明的类型的任何信息。编译器会虽然在编译过程中移除参数的类型信息，但是会保证类或方法内部参数类型的一致性。

例子：

List<String> stringList=new ArrayList<String>();
//可以通过编译
stringList.add("wakaka");
//编译不通过
//stringList.add(new Integer(0));

//List.java
public interface List<E> extends Collection<E> {
//...
boolean add(E e);
//...
}

List的参数类型是E，add方法的参数类型也是E，他们在类的内部是一致的，所以添加Integer类型的对象到stringList违反了内部类型一致，不能通过编译。

重用 extends 关键字。通过它能给与参数类型添加一个边界。泛型参数将会被擦除到它的第一个边界（边界可以有多个）。编译器事实上会把类型参数替换为它的第一个边界的类型。如果没有指明边界，那么类型参数将被擦除到Object。下面的例子中，可以把泛型参数T当作HasF类型来使用。

例子：

/** * Created by yxf on 16-5-28. */
// HasF.java
public interface HasF {
　　void f();
}

//Manipulator.java
public class Manipulator<T extends HasF> {
　　T obj;
　　public T getObj() {
　　　　return obj;
　　}
　　public void setObj(T obj) {
　　　　this.obj = obj;
　　}
}

extend关键字后后面的类型信息决定了泛型参数能保留的信息。

Java中擦除的基本原理

刚看到这里可能有些困惑，一个泛型类型没有保留具体声明的类型的信息，那它是怎么工作的呢？在把《Java编程思想》书中这里的边界与上文的边界区分开来之后，终于想通了。Java的泛型类的确只有一份字节码，但是在使用泛型类的时候编译器做了特殊的处理。

这里根据作者的思路，自己动手写了两个类SimpleHolder和GenericHolder，然后编译拿到两个类的字节码，直接贴在这里：

// SimpleHolder.java
public class SimpleHolder {
　　private Object obj;
　　public Object getObj() {
　　　　return obj;
　　}
　　public void setObj(Object obj) {
　　　　this.obj = obj;
　　}
　　public static void main(String[] args) {
　　　　SimpleHolder holder = new SimpleHolder();
　　　　holder.setObj("Item");
　　　　String s = (String) holder.getObj();
　　}
}
// SimpleHolder.class
public class SimpleHolder {
　　public SimpleHolder();
　　Code:
　　　　0: aload_0
　　　　1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
　　　　4: return

　　public java.lang.Object getObj();
　　Code:
　　　　0: aload_0
　　　　1: getfield #2 // Field obj:Ljava/lang/Object;
　　　　4: areturn

　　public void setObj(java.lang.Object);
　　Code:
　　　　0: aload_0
　　　　1: aload_1
　　　　2: putfield #2 // Field obj:Ljava/lang/Object;
　　　　5: return

　　public static void main(java.lang.String[]);
　　Code:
　　　　0: new #3 // class SimpleHolder
　　　　3: dup
　　　　4: invokespecial #4 // Method "<init>":()V
　　　　7: astore_1
　　　　8: aload_1
　　　　9: ldc #5 // String Item
　　　　11: invokevirtual #6 // Method setObj:(Ljava/lang/Object;)V
　　　　14: aload_1
　　　　15: invokevirtual #7 // Method getObj:()Ljava/lang/Object;
　　　　18: checkcast #8 // class java/lang/String
　　　　21: astore_2
　　　　22: return
}
//GenericHolder.java
public class GenericHolder<T> {
　　T obj;
　　public T getObj() {
　　　　return obj;
　　}
　　public void setObj(T obj) {
　　　　this.obj = obj;
　　}
　　public static void main(String[] args) {
　　　　GenericHolder<String> holder = new GenericHolder<>();
　　　　holder.setObj("Item");
　　　　String s = holder.getObj();
　　}
}

//GenericHolder.class
public class GenericHolder<T> {
　　T obj;

　　public GenericHolder();
　　Code:
　　　　0: aload_0
　　　　1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
　　　　4: return

　　　　public T getObj();
　　　　Code:
　　　　　　0: aload_0
　　　　　　1: getfield #2 // Field obj:Ljava/lang/Object;
　　　　　　4: areturn
　　
　　　　public void setObj(T);
　　　　Code:
　　　　　　0: aload_0
　　　　　　1: aload_1
　　　　　　2: putfield #2 // Field obj:Ljava/lang/Object;
　　　　　　5: return
　　
　　　　public static void main(java.lang.String[]);
　　　　Code:
　　　　　　0: new #3 // class GenericHolder
　　　　　　3: dup
　　　　　　4: invokespecial #4 // Method "<init>":()V
　　　　　　7: astore_1
　　　　　　8: aload_1
　　　　　　9: ldc #5 // String Item
　　　　　　11: invokevirtual #6 // Method setObj:(Ljava/lang/Object;)V
　　　　　　14: aload_1
　　　　　　15: invokevirtual #7 // Method getObj:()Ljava/lang/Object;
　　　　　　18: checkcast #8 // class java/lang/String
　　　　　　21: astore_2
　　　　　　22: return
}

 

经过一番比较之后，发现两分源码虽然不同，但是对应的字节码逻辑部分确是完全相同的。在编译过程中，类型变量的信息是能拿到的。所以，set方法在编译器可以做类型检查，非法类型不能通过编译。但是对于get方法，由于擦除机制，运行时的实际引用类型为Object类型。为了‘还原’返回结果的类型，编译器在get之后添加了类型转换。所以，在GenericHolder.class文件main方法主体第18行有一处类型转换的逻辑。它是编译器自动帮我们加进去的。所以在泛型类对象读取和写入的位置为我们做了处理，为代码添加约束。

擦除的缺陷

泛型类型不能显式地运用在运行时类型的操作当中，例如：转型、instanceof 和 new。因为在运行时，所有参数的类型信息都丢失了。

public class Erased<T> {
　　private final int SIZE = 100;
　　public static void f(Object arg) {
　　　　//编译不通过
　　　　if (arg instanceof T) {
　　　　}
　　　　//编译不通过
　　　　T var = new T();
　　　　//编译不通过
　　　　T[] array = new T[SIZE];
　　　　//编译不通过
　　　　T[] array = (T) new Object[SIZE];
　　}
}

擦除的补偿

1. 类型判断问题

例子：

class Building {}
class House extends Building {}
public class ClassTypeCapture<T> {
　　Class<T> kind;
　　public ClassTypeCapture(Class<T> kind) {
　　　　this.kind = kind;
　　}
　　public boolean f(Object arg) {
　　　　return kind.isInstance(arg);
　　}
　　public static void main(String[] args) {
　　　　ClassTypeCapture<Building> ctt1 = new ClassTypeCapture<Building>(Building.class);
　　　　System.out.println(ctt1.f(new Building()));
　　　　System.out.println(ctt1.f(new House()));
　　　　ClassTypeCapture<House> ctt2 = new ClassTypeCapture<House>(House.class);
　　　　System.out.println(ctt2.f(new Building()));
　　　　System.out.print(ctt2.f(new House()));
　　}
}
//output
//true
//true
//false
//true

泛型参数的类型无法用instanceof关键字来做判断。所以我们使用类类型来构造一个类型判断器，判断一个实例是否为特定的类型。

2. 创建类型实例

Erased.java中不能new T()的原因有两个，一是因为擦除，不能确定类型；而是无法确定T是否包含无参构造函数。为了避免这两个问题，我们使用显式的工厂模式：

例子：

interface IFactory<T> {
　　T create();
}

class Foo2<T> {
　　private T x;

　　public <F extends IFactory<T>> Foo2(F factory) {
　　　　x = factory.create();
　　}
}

class IntegerFactory implements IFactory<Integer> {
　　@Override
　　public Integer create() {
　　　　return new Integer(0);
　　}
}

class Widget {
　　public static class Factory implements IFactory<Widget> {
　　　　@Override
　　　　public Widget create() {
　　　　　　return new Widget();
　　　　}
　　}
}

public class FactoryConstraint {
　　public static void main(String[] args) {
　　　　new Foo2<Integer>(new IntegerFactory());
　　　　new Foo2<Widget>(new Widget.Factory());
　　}
}

通过特定的工厂类实现特定的类型能够解决实例化类型参数的需求。

3. 创建泛型数组

一般不建议创建泛型数组。尽量使用ArrayList来代替泛型数组。但是在这里还是给出一种创建泛型数组的方法。

public class GenericArrayWithTypeToken<T> {
　　private T[] array;

　　@SuppressWarnings("unchecked")
　　public GenericArrayWithTypeToken(Class<T> type, int sz) {
　　　　array = (T[]) Array.newInstance(type, sz);
　　}

　　public void put(int index, T item) {
　　　　array[index] = item;
　　}

　　public T[] rep() {
　　　　return array;
　　}

　　public static void main(String[] args) {
　　　　GenericArrayWithTypeToken<Integer> gai = new GenericArrayWithTypeToken<Integer>(Integer.class, 10);
　　　　Integer[] ia = gai.rep();
　　}
}

这里我们使用的还是传参数类型，利用类型的newInstance方法创建实例的方式。

边界

这里Java重用了 extend关键字。边界可以将类型参数的范围限制到一个子集当中。

interface HasColor {
　　Color getColor();
}

class Colored<T extends HasColor> {
　　T item;

　　public Colored(T item) {
　　　　this.item = item;
　　}

　　public T getItem() {
　　　　return item;
　　}

　　public Color color() {
　　　　return item.getColor();
　　}
}

class Dimension {
　　public int x, y, z;
}

class ColoredDemension<T extends HasColor & Dimension> {
　　T item;

　　public ColoredDemension(T item) {
　　　　this.item = item;
　　}

　　public T getItem() {
　　　　return item;
　　}

　　Color color() {
　　　　return item.getColor();
　　}

　　int getX() {
　　　　return item.x;
　　}

　　int getY() {
　　　　return item.y;
　　}

　　int getZ() {
　　　　return item.z;
　　}

}

interface Weight {
　　int weight();
}

class Solid<T extends Dimension & HasColor & Weight> {
　　T item;

　　public Solid(T item) {
　　　　this.item = item;
　　}

　　public T getItem() {
　　　　return item;
　　}

　　Color color() {
　　　　return item.getColor();
　　}

　　int getX() {
　　　　return item.x;
　　}

　　int getY() {
　　　　return item.y;
　　}

　　int getZ() {
　　　　return item.z;
　　}

　　int weight() {
　　　　return item.weight();
　　}
}

class Bounded extends Dimension implements HasColor, Weight {
　　@Override
　　public Color getColor() {
　　　　return null;
　　}

　　@Override
　　public int weight() {
　　　　return 0;
　　}
}

public class BasicBound {
　　public static void main(String[] args) {
　　　　Solid<Bounded> solid = new Solid<Bounded>(new Bounded());
　　　　solid.color();
　　　　solid.weight();
　　　　solid.getZ();
　　}
}

extends关键字声明中，有两个要注意的地方：

• 类必须要写在接口之前；
• 只能设置一个类做边界，其它均为接口。

通配符

协变

public class Holder<T> {
　　private T value;

　　public Holder(T apple) {
　　}

　　public T getValue() {
　　　　return value;
　　}

　　public void setValue(T value) {
　　　　this.value = value;
　　}

　　@Override
　　public boolean equals(Object o) {
　　　　return value != null && value.equals(o);
　　}

　　public static void main(String[] args) {
　　　　Holder<Apple> appleHolder = new Holder<Apple>(new Apple());
　　　　Apple d = new Apple();
　　　　appleHolder.setValue(d);

　　　　// 不能自动协变
　　　　// Holder<Fruit> fruitHolder=appleHolder;

　　　　// 借助 ？ 通配符和 extends 关键字可以实现协变
　　　　Holder<? extends Fruit> fruitHolder = appleHolder;

　　　　// 返回一个Fruit，因为添加边界之后返回的对象是 ? extends Fruit,
　　　　// 可以把它转型为Apple，但是在不知道具体类型的时候存在风险
　　　　d = (Apple) fruitHolder.getValue();

　　　　//Fruit以及Fruit的父类，就不需要转型
　　　　Fruit fruit = fruitHolder.getValue();
　　　　Object obj = fruitHolder.getValue();

　　　　try {
　　　　　　Orange c = (Orange) fruitHolder.getValue();
　　　　} catch (Exception e) {
　　　　　　System.out.print(e);
　　　　}

　　　　// 编译不通过，因为编译阶段根本不知道子类型到底是什么类型
　　　　// fruitHolder.setValue(new Apple());
　　　　// fruitHolder.setValue(new Orange());

　　　　//这里是可以的因为equals方法接受的是Object作为参数，并不是 ? extends Fruit
　　　　System.out.print(fruitHolder.equals(d));
　　}
}

在Java中父类型可以持有子类型。如果一个父类的容器可以持有子类的容器，那么我们就可以称为发生了协变。在java中，数组是自带协变的，但是泛型的容器没有自带协变。我们可以根据利用边界和通配符?来实现近似的协变。

Holder<? extends Fruit>就是一种协变的写法。它表示一个列表，列表持有的类型是Fruit或其子类。

这个Holder<? extends Fruit>运行时持有的类型是未知的，我们只知道它一定是Fruit的子类。正因为如此，所以我们无法向这个holder中放入任何类型的对象，Object类型的对象也不可以。但是，调用它的返回方法却是可以的。因为边界明确定义了它是Fruit类型的子类。

逆变

package wildcard;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class GenericWriting {
　　static <T> void writeExact(List<T> list, T item) {
　　　　list.add(item);
　　}

　　static List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>();
　　static List<Fruit> fruits = new ArrayList<Fruit>();

　　static void f1() {
　　　　writeExact(apples, new Apple());
　　　　//this cannot be compile,said in Thinking in Java
　　　　writeExact(fruits, new Apple());
　　}

　　static <T> void writeWithWildcard(List<? super T> list, T item) {
　　　　list.add(item);
　　}

　　static void f2() {
　　　　writeWithWildcard(apples, new Apple());
　　　　writeWithWildcard(fruits, new Apple());
　　}

　　static <T> readWithWildcard(List<? super T> list, int index) {
　　　　//Compile Error, required T but found Object
　　　　return list.get(index);
　　}
　　public static void main(String[] args) {
　　　　f1();
　　　　f2();
　　}
}

如果一个类的父类型容器可以持有该类的子类型的容器，我们称这种关系为逆变。声明方式List<? super Integer>, List<? super T> list。

不能给泛型参数给出一个超类型边界；即不能声明List<T super MyClass>。

上面的例子中，writeExact(fruits,new Apple());在《Java编程思想》中说是不能通过编译的，但我试了一下，在Java1.6，Java1.7中是可以编译的。不知道是不是编译器比1.5版本升级了。

由于给出了参数类型的‘下界’，所以我们可以在列表中添加数据而不会出现类型错误。但是使用get方法获取返回类型的时候要注意，由于声明的类型区间是Object到T具有继承关系的类。所以返回的类型为了确保没有问题，都是以Object类型返回回来的。比如过例子中list.get(index)的返回类型就是Object。

无界通配符

无界通配符<?> 意味着可以使用任何对象，因此使用它类似于使用原生类型。但它是有作用的，原生类型可以持有任何类型，而无界通配符修饰的容器持有的是某种具体的类型。举个例子，在List<?>类型的引用中，不能向其中添加Object, 而List类型的引用就可以添加Object类型的变量。

一些需要注意的问题

1. 任何基本类型都不能作为类型参数。

2. 实现参数化接口。

例子：

interface Payable<T>{}
class Employee implements Payable<Employee> {}
//Compile Error
class Hourly extends Employee implements Payable<Hourly> {}

因为擦除的原因，Payable<Employee> 与 Payable<Hourly>简化为相同的Payable<Object>，例子中的代码意味着重复两次实现相同的接口。但他们的参数类型却是不相同的。

3. 转型和警告

使用带有泛型类型参数的转型或者instanceof不会有任何效果。因为他们在运行时都会被擦除到上边界上。所以转型的时候用的类型实际上是上边解对应的类型。

4. 重载

//Compile Error. 编译不能通过
public class UseList<W,T>{
　　void f(List<T> v){}
　　void f(List<W> v){}
}

由于擦除的原因，重载方法将产生相同的类型签名。避免这种问题的方法就是换个方法名。

5. 基类劫持接口。

例子：

public class ComparablePet implements Comparable<ComparablePet>{
　　public int compareTo(ComparablePet arg) {return 0;}
}
class Cat extends ComparablePet implements Comparable<Cat>{
　　// Error: Comparable connot be inherited with
　　// different arguments: <Cat> and <ComparablePet>
　　public int compareTo(Cat arg);
}

父类中我们为Comparable确定了ComparablePet参数，那么其它任何类型都不能再与ComparablePet之外的对象再比较。子类中不能对同一个接口用不同的参数实现两次。这有点类似于第四点中的重载。但是我们可以在子类中覆写父类中的方法。

 

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