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Java泛型详解

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引言

泛型是Java中一个非常重要的知识点，在Java集合类框架中泛型被广泛应用。本文我们将从零开始来看一下Java泛型的设计，将会涉及到通配符处理，以及让人苦恼的类型擦除。

泛型基础

泛型类

我们首先定义一个简单的Box类：

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public class Box {

    private String object;

    public void set(String object) { this.object = object; }

    public String get() { return object; }

}

这是最常见的做法，这样做的一个坏处是Box里面现在只能装入String类型的元素，今后如果我们需要装入Integer等其他类型的元素，还必须要另外重写一个Box，代码得不到复用，使用泛型可以很好的解决这个问题。

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public class Box {

    // T stands for "Type"

    private T t;

    public void set(T t) { this.t = t; }

    public T get() { return t; }

}

这样我们的Box类便可以得到复用，我们可以将T替换成任何我们想要的类型：

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Box integerBox = new Box();

Box doubleBox = new Box();

Box stringBox = new Box();

泛型方法

看完了泛型类，接下来我们来了解一下泛型方法。声明一个泛型方法很简单，只要在返回类型前面加上一个类似的形式就行了：

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public class Util {

    public static boolean compare(Pair p1, Pair p2) {

        return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&

               p1.getValue().equals(p2.getValue());

    }

}

public class Pair {

    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; }

}

我们可以像下面这样去调用泛型方法：

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Pair p1 = new Pair<>(1, "apple");

Pair p2 = new Pair<>(2, "pear");

boolean same = Util.compare(p1, p2);

或者在Java1.7/1.8利用type inference，让Java自动推导出相应的类型参数：

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Pair p1 = new Pair<>(1, "apple");

Pair p2 = new Pair<>(2, "pear");

boolean same = Util.compare(p1, p2);

边界符

现在我们要实现这样一个功能，查找一个泛型数组中大于某个特定元素的个数，我们可以这样实现：

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public static int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {

    int count = 0;

    for (T e : anArray)

        if (e > elem)  // compiler error

            ++count;

    return count;

}

但是这样很明显是错误的，因为除了short, int, double, long, float, byte, char等原始类型，其他的类并不一定能使用操作符>，所以编译器报错，那怎么解决这个问题呢？答案是使用边界符。

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public interface Comparable {

    public int compareTo(T o);

}

做一个类似于下面这样的声明，这样就等于告诉编译器类型参数T代表的都是实现了Comparable接口的类，这样等于告诉编译器它们都至少实现了compareTo方法。

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public static extends Comparable> 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，我们首先必须要澄清一个概念，还是借用我们上面定义的Box类，假设我们添加一个这样的方法：

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

那么现在Box n允许接受什么类型的参数？我们是否能够传入Box或者Box呢？答案是否定的，虽然Integer和Double是Number的子类，但是在泛型中Box或者Box与Box之间并没有任何的关系。这一点非常重要，接下来我们通过一个完整的例子来加深一下理解。

首先我们先定义几个简单的类，下面我们将用到它：

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class Fruit {}

class Apple extends Fruit {}

class Orange extends Fruit {}

下面这个例子中，我们创建了一个泛型类Reader，然后在f1()中当我们尝试Fruit f = fruitReader.readExact(apples);编译器会报错，因为List与List之间并没有任何的关系。

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public class GenericReading {

    static List apples = Arrays.asList(new Apple());

    static List fruit = Arrays.asList(new Fruit());

    static class Reader {

        T readExact(List list) {

            return list.get(0);

        }

    }

    static void f1() {

        Reader fruitReader = new Reader();

        // Errors: List cannot be applied to List.

        // Fruit f = fruitReader.readExact(apples);

    }

    public static void main(String[] args) {

        f1();

    }

}

但是按照我们通常的思维习惯，Apple和Fruit之间肯定是存在联系，然而编译器却无法识别，那怎么在泛型代码中解决这个问题呢？我们可以通过使用通配符来解决这个问题：

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static class CovariantReader {

    T readCovariant(Listextends T> list) {

        return list.get(0);

    }

}

static void f2() {

    CovariantReader fruitReader = new CovariantReader();

    Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);

    Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);

}

public static void main(String[] args) {

    f2();

}

这样就相当与告诉编译器， fruitReader的readCovariant方法接受的参数只要是满足Fruit的子类就行(包括Fruit自身)，这样子类和父类之间的关系也就关联上了。

PECS原则

上面我们看到了类似的用法，利用它我们可以从list里面get元素，那么我们可不可以往list里面add元素呢？我们来尝试一下：

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public class GenericsAndCovariance {

    public static void main(String[] args) {

        // Wildcards allow covariance:

        Listextends Fruit> flist = new ArrayList();

        // 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编译器不允许我们这样做，为什么呢？对于这个问题我们不妨从编译器的角度去考虑。因为List flist它自身可以有多种含义：

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Listextends Fruit> flist = new ArrayList();

Listextends Fruit> flist = new ArrayList();

Listextends Fruit> flist = new ArrayList();
  • 当我们尝试add一个Apple的时候，flist可能指向new ArrayList();
  • 当我们尝试add一个Orange的时候，flist可能指向new ArrayList();
  • 当我们尝试add一个Fruit的时候，这个Fruit可以是任何类型的Fruit，而flist可能只想某种特定类型的Fruit，编译器无法识别所以会报错。

所以对于实现了的集合类只能将它视为Producer向外提供(get)元素，而不能作为Consumer来对外获取(add)元素。

如果我们要add元素应该怎么做呢？可以使用：

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public class GenericWriting {

    static List apples = new ArrayList();

    static List fruit = new ArrayList();

    static void writeExact(List list, T item) {

        list.add(item);

    }

    static void f1() {

        writeExact(apples, new Apple());

        writeExact(fruit, new Apple());

    }

    static void writeWithWildcard(Listsuper 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 list，它可以有下面几种含义：

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Listsuper Apple> list = new ArrayList();

Listsuper Apple> list = new ArrayList();

Listsuper Apple> list = new ArrayList();

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：

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public class Collections {

    public static void copy(Listsuper T> dest, Listextends T> src) {

        for (int i=0; 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：

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public class Node {

    private T data;

    private Node next;

    public Node(T data, Node 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：

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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。有没有什么办法可以解决这个问题呢？这就需要我们自己重新设置bounds了，将上面的代码修改成下面这样：

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public class Nodeextends Comparable> {

    private T data;

    private Node next;

    public Node(T data, Node 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：

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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：

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List[] arrayOfLists = new List[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：

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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：

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Object[] stringLists = new List[];  // compiler error, but pretend it's allowed

stringLists[0] = new ArrayList();   // OK

// An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can't detect it.

stringLists[1] = new ArrayList();

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：

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public class ErasedTypeEquivalence {

    public static void main(String[] args) {

        Class c1 = new ArrayList().getClass();

        Class c2 = new ArrayList().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。

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public class Node {

    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 {

    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：

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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：

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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：

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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：

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public static void append(List 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：

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public static void append(List list, Class cls) throws Exception {

    E elem = cls.newInstance();   // OK

    list.add(elem);

}

我们可以像下面这样调用：

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List 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：

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public static void rtti(List list) {

    if (list instanceof ArrayList) {  // compile-time error

        // ...

    }

}

=> { ArrayList, ArrayList, LinkedList, ... }

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：

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public static void rtti(List list) {

    if (list instanceof ArrayList) {  // OK; instanceof requires a reifiable type

        // ...

    }

}

工厂模式

接下来我们利用泛型来简单的实现一下工厂模式，首先我们先声明一个接口Factory：

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package typeinfo.factory;

public interface Factory {

    T create();

}

接下来我们来创建几个实体类FuelFilter和AirFilter以及FanBelt和GeneratorBelt。

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class Filter extends Part {}

class FuelFilter extends Filter {

    public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory {

        public FuelFilter create() {

            return new FuelFilter();

        }

    }

}

class AirFilter extends Filter {

    public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory {

        public AirFilter create() {

            return new AirFilter();

        }

    }

}

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class Belt extends Part {}

class FanBelt extends Belt {

    public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory {

        public FanBelt create() {

            return new FanBelt();

        }

    }

}

class GeneratorBelt extends Belt {

    public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory {

        public GeneratorBelt create() {

            return new GeneratorBelt();

        }

    }

}

Part类的实现如下，注意我们上面的实体类都是Part类的间接子类。在Part类我们注册了我们上面的声明的实体类。所以以后我们如果要创建相关的实体类的话，只需要在调用Part类的相关方法了。这么做的一个好处就是如果的业务中出现了CabinAirFilter或者PowerSteeringBelt的话，我们不需要修改太多的代码，只需要在Part类中将它们注册即可。

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class Part {

    static Listextends Part>> partFactories =

        new ArrayListextends Part>>();

    static {

        partFactories.add(new FuelFilter.Factory());

        partFactories.add(new AirFilter.Factory());

        partFactories.add(new FanBelt.Factory());

        partFactories.add(new PowerSteeringBelt.Factory());

    }

    private static Random rand = new Random(47);

    public static Part createRandom() {

        int n = rand.nextInt(partFactories.size());

        return partFactories.get(n).create();

    }

    public String toString() {

        return getClass().getSimpleName();

    }

}

最后我们来测试一下：

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public class RegisteredFactories {

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 10; i++) {

            System.out.println(Part.createRandom());

        }

    }

}

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