Java泛型与数组深入研究

Java中的泛型与数组平时开发用的很多，除了偶尔遇到"NullPointerException"和"IndexOutOfBoundsException"一般也不会遇到太大问题。可是如果深入研究，可能会发现这两种类型有很多奇怪的特点。我查了一些资料，发现包括《Java编程思想》在内对这些问题的解释都含糊其辞（不排除是本人理解能力有限）。因此在大量实践的基础上，我只能提出自己的对这些问题的理解并总结下来。

一、数组转型

准备工作

创建三个表示继承关系的类，供测试使用：

class Fruit {
}

class Apple extends Fruit {
}

class RedApple extends Apple {
}

数组能够转型吗？

// 测试：数组转型
public void arrayTransform() {
    Fruit[] fruits = new Apple[10];
    Fruit[] newFruits = new Fruit[10];
    newFruits[0] = new Apple();
    newFruits[1] = new Apple();
    Apple[] apples = (Apple[]) newFruits; // 抛出异常java.lang.ClassCastException
}

编译期不报错，运行期抛异常。而且这个错误与newFruits所持有的实际对象无关。如果要强制转型只能遍历数组来完成。要理解这个问题本质，我们需要首先了解Java的数组内存模型。

数组的内存模型

数组转型，JVM只会检查它的直接类型。上面的例子中，对于Apple[]而言Fruit[]是它的父类，因此可以直接转型。而向下转型的时候，相当于Fruit转型Apple。因此在运行期报错。不过事情似乎不那么简单，Fruit[]真的是Apple[]的父类吗？

public void arraySuperclass() {
    Fruit[] fruits = new Fruit[10];
    Apple[] apples = new Apple[10];
    System.out.println(fruits.getClass());
    System.out.println(apples.getClass());
    System.out.println(fruits.getClass().getSuperclass());
    System.out.println(apples.getClass().getSuperclass());
}
/* Output:
class [LFruit;
class [LApple;
class java.lang.Object
class java.lang.Object
*/

从输出看，似乎数组之间并没有相互的继承关系。那么这样的转型到底是如何实现的呢？根据JVM的规范，数组类型是由虚拟机在运行时创建的，控制台输出的前两行即代表数组类型。同时JVM规范也定义了，数组的父类型为数组元素的父类型。对于数组，我们的总结如下：

1. 数组类型只和声明类型相关与它的实际持有类型无关。
2. 数组类的继承关系与声明类型的继承关系保持一致。

二、泛型通配符

extends的含义

public void genericExtends(List<? extends Fruit> ls) {
    ls.add(new Apple()); // 编译报错
    Fruit f = ls.get(0);
}

使用extends修饰的泛型容器只能调用get()方法，并且genericExtends方法可以接受List<Fruit>、List<Apple>和List<RedApple>类型的参数。

Java泛型是一种妥协的产物，实际在泛型内部无法知晓实际类型。Java为了实现泛型采用一种被称为“擦除”的机制，并且这种机制在编译期完成。这样做的目的是为了和老版本的.class文件保持兼容。extends本质是一种擦除的约束条件，表示List<? extends Fruit>对象将会被擦除成List<Fruit>，因此在方法内部开发人员可以调用在Fruit的所有方法。但是必须明确一点，List<? extends Fruit>与List<Fruit>绝不一样。这一点和数组类型相似，任何以Fruit的子类为泛型的容器类（如：List<Apple>）并不是Fruit容器类（如：List<Fruit>）的子类。如果必须要说它们之间存在什么共性的话就是以Fruit的子类为泛型的容器类可以在编译期被擦除为Fruit的容器类。要如何实现这一点呢？Java提出了在泛型中利用extends作为修饰符。因此，List<? extends Fruit>声明的本质是告诉编译期，请尝试把方法的参数（如：List<Apple>）擦除成List<Fruit>而不要直接擦除成List<Object>，如果成立则编译通过。

因此在genericExtends方法的内部，ls表示它可能为List<Fruit>、List<Apple>和List<RedApple>之中的任何一个类型。因此ls不能使用add方法想容器中添加元素。

super的含义

public void genericSuper(List<? super Apple> ls) {
    ls.add(new Apple());
    ls.add(new RedApple());
}

public void methInvok() {
    List<Fruit> fruits = new ArrayList<>();
    this.genericSuper(fruits);
}

如果希望在方法内部可以向容器中添加元素，则推荐的做法是使用super修饰泛型。以它作为泛型修饰符的方法形参，从外部看表示：我可以接收以泛型声明类自身或所有父类为泛型的容器类，如（List<Apple>或List<Fruit>）。它相当于容器添加了一个下界。从内部看表示：参数ls能够接收所有泛型声明类自身或为基类的对象，如（Apple 或 RedApple）。

关于泛型通配符，我们总结如下：

1. 包含通配符的泛型对象在编译期会被擦除，利用extends和super能够为为擦除行为增加约束。
2. 通配符表示为某一种明确的类型，具体类型只有在运行期可知。