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java泛型详解
Java泛型详解
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:
publicclassBox{privateStringobject;publicvoidset(Stringobject){this.object=object;}publicStringget(){returnobject;}}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。
publicclassBox{//Tstandsfor'Type'privateTt;publicvoidset(Tt){this.t=t;}publicTget(){returnt;}}
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:
BoxintegerBox=newBox();BoxdoubleBox=newBox();BoxstringBox=newBox();
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:
publicclassUtil{publicstaticbooleancompare(Pairp1,Pairp2){returnp1.getKey().equals(p2.getKey())&&p1.getValue().equals(p2.getValue());}}publicclassPair{privateKkey;privateVvalue;publicPair(Kkey,Vvalue){this.key=key;this.value=value;}publicvoidsetKey(Kkey){this.key=key;}publicvoidsetValue(Vvalue){this.value=value;}publicKgetKey(){returnkey;}publicVgetValue(){returnvalue;}}
我们可以像下面这样去调用泛型方法:
Pairp1=newPair(1,'apple');Pairp2=newPair(2,'pear');booleansame=Upare(p1,p2);
或者在Java1.7/1.8利用typeinference,让Java自动推导出相应的类型参数:
Pairp1=newPair(1,'apple');Pairp2=newPair(2,'pear');booleansame=Upare(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:
publicstaticintcountGreaterThan(T[]anArray,Telem){intcount=0;for(Te:
anArray)if(e>elem)//compilererror++count;returncount;}
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。
publicinterfaceComparable{publicintcompareTo(To);}
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。
publicstatic>intcountGreaterThan(T[]anArray,Telem){intcount=0;for(Te:
anArray)if(pareTo(elem)>0)++count;returncount;}
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:
publicvoidboxTest(Boxn){/*...*/}
那么现在Boxn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:
classFruit{}classAppleextendsFruit{}classOrangeextendsFruit{}
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Fruitf=fruitReader.readExact(apples);编译器会报错,因为List与List之间并没有任何的关系。
publicclassGenericReading{staticListapples=Arrays.asList(newApple());staticListfruit=Arrays.asList(newFruit());staticclassReader{TreadExact(Listlist){returnlist.get(0);}}staticvoidf1(){ReaderfruitReader=newReader();//Errors:
ListcannotbeappliedtoList.//Fruitf=fruitReader.readExact(apples);}publicstaticvoidmain(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:
staticclassCovariantReader{TreadCovariant(Listlist){returnlist.get(0);}}staticvoidf2(){CovariantReaderfruitReader=newCovariantReader();Fruitf=fruitReader.readCovariant(fruit);Fruita=fruitReader.readCovariant(apples);}publicstaticvoidmain(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:
publicclassGenericsAndCovariance{publicstaticvoidmain(String[]args){//Wildcardsallowcovariance:
Listflist=newArrayList();//CompileError:
can'taddanytypeofobject:
//flist.add(newApple())//flist.add(newOrange())//flist.add(newFruit())//flist.add(newObject())flist.add(null);//Legalbutuninteresting//WeKnowthatitreturnsatleastFruit:
Fruitf=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Listflist它自身可以有多种含义:
Listflist=newArrayList();Listflist=newArrayList();Listflist=newArrayList();
当我们尝试add一个Apple的时候,flist可能指向newArrayList();当我们尝试add一个Orange的时候,flist可能指向newArrayList();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:
publicclassGenericWriting{staticListapples=newArrayList();staticListfruit=newArrayList();staticvoidwriteExact(Listlist,Titem){list.add(item);}staticvoidf1(){writeExact(apples,newApple());writeExact(fruit,newApple());}staticvoidwriteWithWildcard(Listlist,Titem){list.add(item)}staticvoidf2(){writeWithWildcard(apples,newApple());writeWithWildcard(fruit,newApple());}publicstaticvoidmain(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Listlist,它可以有下面几种含义:
Listlist=newArrayList();Listlist=newArrayList();Listlist=newArrayList();
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,”ProducerExtends,ConsumerSuper”:
“ProducerExtends”–如果你需要一个只读List,用它来produceT,那么使用?
extendsT。
“ConsumerSuper”–如果你需要一个只写List,用它来consumeT,那么使用?
superT。
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:
publicclassCollections{publicstaticvoidcopy(Listdest,Listsrc){for(inti=0;idest.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:
publicclassNode{privateTdata;privateNodenext;publicNode(Tdata,Nodenext){this.data=data;this.next=next;}publicTgetData(){returndata;}//...}
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:
publicclassNode{
privateObjectdata;privateNodenext;publicNode(Objectdata,Nodenext){this.data=data;this.next=next;}publicObjectgetData(){returndata;}//...}
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:
publicclassNode>{privateTdata;privateNodenext;publicNode(Tdata,Nodenext){this.data=data;this.next=next;}publicTgetData(){returndata;}//...}
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:
publicclassNode{privateComparabledata;privateNodenext;publicNode(Comparabledata,Nodenext){this.data=data;this.next=next;}publicComparablegetData(){returndata;}//...}
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=newList[2];//compile-timeerror
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=newString[2];strings[0]='hi';//OKstrings[1]=100;//AnArrayStoreExceptionisthrown.
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=newList[];//compilererror,butpretendit'sallowedstringLists[0]=newArrayList();//OK//AnArrayStoreExceptionshouldbethrown,buttheruntimecan'tdetectit.stringLists[1]=newArrayList();
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newArrayList()和newArrayList()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:
publicclassErasedTypeEquivalence{publicstaticvoidmain(String[]args){Classc1=newArrayList().getClass();Classc2=newArrayList().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Bridgemethod。
publicclassNode{publicTdata;publicNode(Tdata){this.data=data;}publicvoidsetData(Tdata){System.out.println('Node.setData');this.data=data;}}publicclassMyNodeextendsNode{publicMyNode(Integerdata){super(data);}publicvoidsetData(Integerdata){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:
publicclassNode{publicObjectdata;publicNode(Objectdata){this.data=data;}publicvoidsetData(Objectdata){System.out.println('Node.setData');this.data=data;}}publicclassMyNodeextendsNode{publicMyNode(Integerdata){super(data);}publicvoidsetData(Integerdata){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:
MyNodemn=newMyNode(5);Noden=mn;//Arawtype-compilerthrowsanuncheckedwarningn.setData('Hello');//CausesaClassCastExceptiontobethrown.//Integerx=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(Stringdata)方法,所以只能调用父类Node的setData(Objectdata)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:
classMyNodeextendsNode{//BridgemethodgeneratedbythecompilerpublicvoidsetData(Objectdata){setData((Integer)data);}publicvoidsetData(Integerdata){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uncheckedwarning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Noden=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:
publicstaticvoidappend(Listlist){Eelem=newE();//compile-timeerrorlist.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:
publicstaticvoidappend(Listlist,Classcls)throwsException{Eelem=cls.newInstance();//OKlist.add(elem);}
我们可以像下面这样调用:
Listls=newArrayList();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ThinkinginJava中第15章中关于Creatinginstanceoftypes(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:
publicstaticvoidrtti(Listlist){if(listinstanceofArrayList){//compile-timeerror//...}}=>{ArrayList,ArrayList,LinkedList,