从零开始来看一下Java泛型的设计

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。

泛型类

我们首先定义一个简单的Box类:
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。
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:
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<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; }
}

我们可以像下面这样去调用泛型方法:
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,让Java自动推导出相应的类型参数:
Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, “apple”);
Pair<Integer, String> 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:
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。
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。
public static > 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:
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:
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。
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:
static class CovariantReader {
T readCovariant(List<? extends 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<? extends T>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:
public class GenericsAndCovariance {
public static void main(String[] args) {
// Wildcards allow covariance:
List<? extends 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<? extends Fruit> flist它自身可以有多种含义:
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList();
List<? extends 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<? extends T>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<? super T>:
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(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();
}
}

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<? super Apple> list,它可以有下面几种含义:
List<? super Apple> list = new ArrayList();
List<? super Apple> list = new ArrayList();
List<? super 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:public class Collections {public static void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {for (int i=0; i<src.size(); 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: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: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: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; }// …}

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:
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:
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:
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:
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:
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。
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:
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:
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:
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:
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:
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:
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:
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:
public static void rtti(List<?> list) {
if (list instanceof ArrayList<?>) { // OK; instanceof requires a reifiable type
// …
}
}

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