Java泛型进阶 - 如何取出泛型类型参数

在JDK5引入了泛型特性之后，她迅速地成为Java编程中不可或缺的元素。然而，就跟泛型乍一看似乎非常容易一样，许多开发者也非常容易就迷失在这项特性里。
多数Java开发者都会注意到Java编译器的类型擦除实现方式，Type Erasure会导致关于某个Class的所有泛型信息都会在源代码编译时消失掉。在一个Java应用中，可以认为所有的泛型实现类，都共享同一个基础类(注意与继承区分开来)。这是为了兼容JDK5之前的所有JDK版本，就是人们经常说的向后兼容性。

向后兼容性

译者注：原文较为琐碎，大致意思是。在JVM整个内存空间中，只会存在一个 ArrayList.class。
为了能够区分 ArrayList和 ArrayList，现在假想的实现方式是在 Class文件信息表(函数表+字段表)里添加额外的泛型信息。这个时候JVM的内存空间中就会存在 (假设)ArrayList&String.class和 (假设)ArrayList&Integer.class文件。顺着这种情况延续下去的话，就必须要修改JDK5之前所有版本的JVM对 Class文件的识别逻辑，因为它破坏了 JVM内部一个Class只对应唯一一个.class这条规则。这也是人们常说的: 破坏了 向后兼容性。

注：参考Python3舍弃掉Python2的例子，也是放弃了对2的兼容，Python3才能发展并构造更多的新特性。

那应该怎么做？

既然Java开发团队选择了兼容JDK5之前的版本，那就不能在JVM里做手脚了。但Java编译器的代码似乎还是可以修改的。于是，Java编译器在编译时就会把泛型信息都擦除，所以以下的比较在JVM运行时会永远为真。

assert new ArrayList().getClass() == new ArrayList().getClass();

对JVM运行时来说，上述代码等同于

assert new ArrayList.class == ArrayList.class

到目前为止，上述内容都是大家所熟知的事情。然而，与普遍印象相反的是，某些情况下在运行时获取到泛型类型信息也是可行的。举个栗子:

class MyGenericClass { }
class MyStringSubClass extends MyGenericClass { }

MyStringSubClass相当于对MyGenericClass做了类型参数赋值T = String。于是，Java编译器可以把这部分泛型信息(父类MyGenericClass的泛型参数是String)，存储在它的子类MyStringSubClass的字节码区域中。
而且因为这部分泛型信息在被编译后，仅仅被存储在被老版JVM所忽略的字节码区域中，所以这种方式并没有破坏向后兼容性。与此同时，因为T已经被赋值为String，所有的MyStringSubClass类的对象实例仍然共享同一个MyStringSubClass.class。

如何获取这块泛型信息？

应该如何获取到被存储在byte code区域的这块泛型信息呢？

1. Java API提供了Class.getGenericSuperClass()方法，来取出一个Type类型的实例。

2. 如果直接父类的实际类型就是泛型类型的话，那取出的Type类型实例就可以被显示地转换为ParameterizeType。

   (Type只是一个标记型接口，它里面仅包含一个方法： getTypeName()。所以取出的实例的实际类型会是 ParameterizedTypeImpl，但不应直接暴露实际类型，应一直暴露 Type接口)。

3. 感谢ParameterizedType接口，现在我们可以直接调用ParameterizeType.getActualTypeArguments()取出又一个Type类型实例数组。
4. 父类所有的泛型类型参数都会被包含在这个数组里，并且以被声明的顺序放在数组对应的下标中。

5. 当数组中的类型参数为非泛型类型时，我们就可以简单地把它显示转换为Class。

   为了保持文章的简洁性，我们跳过了 GenericArrayType的情况。

现在我们可以使用以上知识编写一个工具类了:

public static Class findSuperClassParameterType(Object instance, Class clazzOfInterest, int parameterIndex) {
    Class subClass = instance.getClass();
    while (subClass.getSuperclass() != clazzOfInterest) {
        subClass = subClass.getSuperclass();
        if (subClass == null) throw new IllegalArgumentException();
    }
    ParameterizedType pt = (ParameterizedType) (subClass.getGenericSuperclass());
    return (Class) pt.getActualTypeArguments()[parameterIndex];
}

public static void testCase1() {
    Class genericType = findDirectSuperClassParameterType(new MyStringSubClass());
    System.out.println(genericType);
    assert genericType == String.class;
}

然而，请注意到

findSuperClassParamerterType(new MyGenericClass(), MyGenericClass.class, 0)

这样调用会抛出IllegalArgumentException异常。之前说过：泛型信息只有在子类的帮助下才能被取出。然而，MyGenericClass只是一个拥有泛型参数的类，并不是MyGenericClass.class的子类。没有显式的子类，就没有地方存储String类型参数。因此上述调用不可避免地会被Java编译器进行类型擦除。如果你已预见到你的项目中会出现这种情况，也想要避免它，一种良好的编程实践是将MyGenericClass声明为abstract。

然而，我们还没有解决问题，毕竟我们目前为止还有许多坑没有填。

链式泛型

class MyGenericClass {}
class MyGenericSubClass extends MyGenericClass {}
class MyStringSubSubClass extends MyGenericSubClass {}

如下调用，仍然会抛出异常。

findSuperClassParameterType(new MyStringSubClass(), MyGenericClass.class, 0);

这又是为什么呢？到目前为止我们都在设想：MyGenericClass的类型参数T的相关信息会存储在它的直接子类中。那么上述的类继承关系就有以下逻辑：

1. MyStringSubClass.class中存储了MyGenericSubClass --> U = String。
2. MyGenericSubClass.class中仅存储了MyGenericClass --> T = U

但U并不是一个Class类型，而是TypeVariable类型的类型变量，如果我们想要解析这种继承关系，就必须解析它们之间所有的依赖关系。代码如下：

public static Class findSubClassParameterType(Object instance, Class classOfInterest, int parameterIndex) {
    Map typeMap = new HashMap<>();
    Class instanceClass = instance.getClass();
    while (instanceClass.getSuperclass() != classOfInterest) {
        extractTypeArguments(typeMap, instanceClass);
        instanceClass = instanceClass.getSuperclass();
        if (instanceClass == null) throw new IllegalArgumentException();
    }
    // System.out.println(typeMap);
    ParameterizedType pt = (ParameterizedType) instanceClass.getGenericSuperclass();
    Type actualType = pt.getActualTypeArguments()[parameterIndex];
    if (typeMap.containsKey(actualType)) {
        actualType = typeMap.get(actualType);
    }
    if (actualType instanceof Class) {
        return (Class) actualType;
    } else {
        throw  new IllegalArgumentException();
    }
}

private static void extractTypeArguments(Map typeMap, Class clazz) {
    Type genericSuperclass = clazz.getGenericSuperclass();
    if (!(genericSuperclass instanceof ParameterizedType)) {
        return ;
    }
    ParameterizedType pt = (ParameterizedType) genericSuperclass;
    Type[] typeParameters = ((Class) pt.getRawType()).getTypeParameters();
    Type[] actualTypeArguments = pt.getActualTypeArguments();
    for (int i = 0; i < typeParameters.length; i++) {
        if (typeMap.containsKey(actualTypeArguments[i])) {
            actualTypeArguments[i] = typeMap.get(actualTypeArguments[i]);
        }
        typeMap.put(typeParameters[i], actualTypeArguments[i]);
    }
}

代码中通过一个map可以解析所有链式泛型类型的定义。不过仍然不够完美，毕竟MyClass extends MyOtherClass也是一种完全合法的子类定义。

嵌套类

好了好了，仍然没有结束：

class MyGenericOuterClass {
  public class MyGenericInnerClass { }
}
class MyStringOuterSubClass extends MyGenericOuterClass { }
  
MyStringOuterSubClass.MyGenericInnerClass inner = new MyStringOuterSubClass().new MyGenericInnerClass();

下面这样调用仍然会失败。

findSuperClassParameterType(inner, MyGenericInnerClass.class, 0);

这种失败几乎是可预见的，我们正试图在MyGenericInnerClass的对象实例里面寻找MyGenericInnerClass的泛型信息。就像之前所说，因为MyGenericInnerClass并没有子类，所以从MyGenericInnerClass.class中寻找泛型信息是不可能的，毕竟MyGenericInnerClass.class里面根本就不存在泛型信息。不过在这个例子中，我们检查的是MyStringOuterSubClass中的非static内部类: MyGenericInnerClass的对象实例。那么，MyStringOuterSubClass是知道它的父类MyGennericOuterClass --> U = String。当使用反射取出MyGenericInnerClass中的类型参数时，就必须把这点纳入考量。

现在这件事就变得相当棘手了。
-> 为了取出MyGenericOuterClass的泛型信息
-> 就必须先得到MyGenericOuterClass.class

这依然可以通过反射取得，Java编译器会在内部类MyGenericInnerClass中生成一个synthetic-field: this$0，这个字段可以通过Class.getDeclaredField("this$0")获取到。

> javap -p -v MyGenericOuterClass$MyGenericInnerClass.class
...
...
  final cn.local.test.MyGenericOuterClass this$0;
    descriptor: Lcn/local/test/MyGenericOuterClass;
    flags: ACC_FINAL, ACC_SYNTHETIC
...

既然已经有办法可以获取到MyGenericOuterClass.class了，那接下来我们似乎可以直接复用之前的扫描逻辑了。

这里需要注意, MyGenericOuterClass的U 并不等同于 的U。
我们可以做以下推理， MyGenericInnerClass是可以声明为 static的，这就意味着 static情况下， MyGenericInnerClass拥有它自己独享的 泛型type命名空间。所以，Java API中所有的 TypeVariable接口实现类，都拥有一个属性叫 genericDeclaration。


如果两个 泛型变量被分别定义在不同的类中，那么这两个 TypeVariable类型变量，从 genericDeclaration的定义上来说就是不相等的。

获取嵌套类的泛型的代码如下：

private static Class browseNestedTypes(Object instance, TypeVariable actualType) {
    Class instanceClass = instance.getClass();
    List> nestedOuterTypes = new LinkedList>();
    for (
            Class enclosingClass = instanceClass.getEnclosingClass();
            enclosingClass != null;
            enclosingClass = enclosingClass.getEnclosingClass() ) {

        try {
            Field this$0 = instanceClass.getDeclaredField("this$0");
            Object outerInstance = this$0.get(instance);
            Class outerClass = outerInstance.getClass();
            nestedOuterTypes.add(outerClass);
            Map outerTypeMap = new HashMap<>();
            extractTypeArguments(outerTypeMap, outerClass);
            for (Map.Entry entry : outerTypeMap.entrySet()) {
                if (!(entry.getKey() instanceof TypeVariable)) {
                    continue;
                }
                TypeVariable foundType = (TypeVariable) entry.getKey();
                if (foundType.getName().equals(actualType.getName())
                        && isInnerClass(foundType.getGenericDeclaration(), actualType.getGenericDeclaration())) {
                    if (entry.getValue() instanceof Class) {
                        return (Class) entry.getValue();
                    }
                    actualType = (TypeVariable) entry.getValue();
                }
            }
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            /* however, this should never happen. */
        } catch (IllegalAccessException e) {
            /* this might happen */
        }
    }
    throw new IllegalArgumentException();
}

private static boolean isInnerClass(GenericDeclaration outerDeclaration, GenericDeclaration innerDeclaration) {
    if (!(outerDeclaration instanceof Class) || !(innerDeclaration instanceof Class)) {
        throw new IllegalArgumentException();
    }
    Class outerClass = (Class) outerDeclaration;
    Class innerClass = (Class) innerDeclaration;
    while ((innerClass = innerClass.getEnclosingClass()) != null) {
        if (innerClass == outerClass) {
            return true;
        }
    }
    return false;
}

private static void extractTypeArguments(Map typeMap, Class clazz) {
    Type genericSuperclass = clazz.getGenericSuperclass();
    if (!(genericSuperclass instanceof ParameterizedType)) {
        return;
    }
    ParameterizedType pt = (ParameterizedType) genericSuperclass;
    Type[] typeParameters = ((Class) pt.getRawType()).getTypeParameters();
    Type[] actualTypeArguments = pt.getActualTypeArguments();
    for (int i = 0; i < typeParameters.length; i++) {
        if (typeMap.containsKey(actualTypeArguments[i])) {
            actualTypeArguments[i] = typeMap.get(actualTypeArguments[i]);
        }
        typeMap.put(typeParameters[i], actualTypeArguments[i]);
    }
}