Java 泛型詳解

（點選上方公眾號，可快速關註）

來源：ZiWenXie ，

www.ziwenxie.site/2017/03/01/java-generic/

引言

泛型是Java中一個非常重要的知識點，在Java集合類框架中泛型被廣泛應用。本文我們將從零開始來看一下Java泛型的設計，將會涉及到萬用字元處理，以及讓人苦惱的型別擦除。

泛型基礎

泛型類

我們首先定義一個簡單的Box類：

public class Box {

    private String object;

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

    public String get() { return object; }

}

這是最常見的做法，這樣做的一個壞處是Box裡面現在只能裝入String型別的元素，今後如果我們需要裝入Integer等其他型別的元素，還必須要另外重寫一個Box，程式碼得不到復用，使用泛型可以很好的解決這個問題。

public class Box {

    // T stands for “Type”

    private T t;

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

    public T get() { return t; }

}

這樣我們的Box類便可以得到復用，我們可以將T替換成任何我們想要的型別：

Box integerBox = new Box();

Box doubleBox = new Box();

Box stringBox = new Box();

泛型方法

看完了泛型類，接下來我們來瞭解一下泛型方法。宣告一個泛型方法很簡單，只要在傳回型別前面加上一個類似的形式就行了：

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; }

}

我們可以像下麵這樣去呼叫泛型方法：

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，讓Java自動推匯出相應的型別引數：

Pair p1 = new Pair<>(1, “apple”);

Pair p2 = new Pair<>(2, “pear”);

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

邊界符

現在我們要實現這樣一個功能，查詢一個泛型陣列中大於某個特定元素的個數，我們可以這樣實現：

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

    int count = 0;

    for (T e : anArray)

        if (e > elem)  // compiler error

            ++count;

    return count;

}

但是這樣很明顯是錯誤的，因為除了short, int, double, long, float, byte, char等原始型別，其他的類並不一定能使用運運算元>，所以編譯器報錯，那怎麼解決這個問題呢？答案是使用邊界符。

public interface Comparable {

    public int compareTo(T o);

}

做一個類似於下麵這樣的宣告，這樣就等於告訴編譯器型別引數T代表的都是實現了Comparable介面的類，這樣等於告訴編譯器它們都至少實現了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;

}

萬用字元

在瞭解萬用字元之前，我們首先必須要澄清一個概念，還是借用我們上面定義的Box類，假設我們新增一個這樣的方法：

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

那麼現在Box n允許接受什麼型別的引數？我們是否能夠傳入Box或者Box呢？答案是否定的，雖然Integer和Double是Number的子類，但是在泛型中Box或者Box與Box之間並沒有任何的關係。這一點非常重要，接下來我們透過一個完整的例子來加深一下理解。

首先我們先定義幾個簡單的類，下麵我們將用到它：

class Fruit {}

class Apple extends Fruit {}

class Orange extends Fruit {}

下麵這個例子中，我們建立了一個泛型類Reader，然後在f1()中當我們嘗試Fruit f = fruitReader.readExact(apples);編譯器會報錯，因為List與List之間並沒有任何的關係。

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();

    }

}

但是按照我們通常的思維習慣，Apple和Fruit之間肯定是存在聯絡，然而編譯器卻無法識別，那怎麼在泛型程式碼中解決這個問題呢？我們可以透過使用萬用字元來解決這個問題：

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();

}

這樣就相當與告訴編譯器， fruitReader的readCovariant方法接受的引數只要是滿足Fruit的子類就行(包括Fruit自身)，這樣子類和父類之間的關係也就關聯上了。

PECS原則

上面我們看到了類似 extends T>的用法，利用它我們可以從list裡面get元素，那麼我們可不可以往list裡面add元素呢？我們來嘗試一下：

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編譯器不允許我們這樣做，為什麼呢？對於這個問題我們不妨從編譯器的角度去考慮。因為List extends Fruit> flist它自身可以有多種含義：

List extends Fruit> flist = new ArrayList();

List extends Fruit> flist = new ArrayList();

List extends Fruit> flist = new ArrayList();

• 當我們嘗試add一個Apple的時候，flist可能指向new ArrayList();

• 當我們嘗試add一個Orange的時候，flist可能指向new ArrayList();

• 當我們嘗試add一個Fruit的時候，這個Fruit可以是任何型別的Fruit，而flist可能只想某種特定型別的Fruit，編譯器無法識別所以會報錯。

所以對於實現了 extends T>的集合類只能將它視為Producer向外提供(get)元素，而不能作為Consumer來對外獲取(add)元素。

如果我們要add元素應該怎麼做呢？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();

    }

}

這樣我們可以往容器裡面新增元素了，但是使用super的壞處是以後不能get容器裡面的元素了，原因很簡單，我們繼續從編譯器的角度考慮這個問題，對於List super Apple> list，它可以有下麵幾種含義：

List super Apple> list = new ArrayList();

List super Apple> list = new ArrayList();

List super Apple> list = new ArrayList

當我們嘗試透過list來get一個Apple的時候，可能會get得到一個Fruit，這個Fruit可以是Orange等其他型別的Fruit。

根據上面的例子，我們可以總結出一條規律，”Producer Extends, Consumer Super”：

• “Producer Extends” – 如果你需要一個只讀List，用它來produce T，那麼使用? extends T。

• “Consumer Super” – 如果你需要一個只寫List，用它來consume T，那麼使用? super T。

• 如果需要同時讀取以及寫入，那麼我們就不能使用萬用字元了。

如何閱讀過一些Java集合類的原始碼，可以發現通常我們會將兩者結合起來一起用，比如像下麵這樣：

public class Collections {

    public static void copy(List super T> dest, List extends T> src) {

        for (int i=0; i

            dest.set(i, src.get(i));

    }

}

型別擦除

Java泛型中最令人苦惱的地方或許就是型別擦除了，特別是對於有C++經驗的程式員。型別擦除就是說Java泛型只能用於在編譯期間的靜態型別檢查，然後編譯器生成的程式碼會擦除相應的型別資訊，這樣到了執行期間實際上JVM根本就知道泛型所代表的具體型別。這樣做的目的是因為Java泛型是1.5之後才被引入的，為了保持向下的相容性，所以只能做型別擦除來相容以前的非泛型程式碼。對於這一點，如果閱讀Java集合框架的原始碼，可以發現有些類其實並不支援泛型。

說了這麼多，那麼泛型擦除到底是什麼意思呢？我們先來看一下下麵這個簡單的例子：

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; }

    // …

}

編譯器做完相應的型別檢查之後，實際上到了執行期間上面這段程式碼實際上將轉換成：

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; }

    // …

}

這意味著不管我們宣告Node還是Node，到了執行期間，JVM統統視為Node

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; }

    // …

}

這樣編譯器就會將T出現的地方替換成Comparable而不再是預設的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; }

    // …

}

上面的概念或許還是比較好理解，但其實泛型擦除帶來的問題遠遠不止這些，接下來我們系統地來看一下型別擦除所帶來的一些問題，有些問題在C++的泛型中可能不會遇見，但是在Java中卻需要格外小心。

問題一

在Java中不允許建立泛型陣列，類似下麵這樣的做法編譯器會報錯：

List[] arrayOfLists = new List[2];  // compile-time error

為什麼編譯器不支援上面這樣的做法呢？繼續使用逆向思維，我們站在編譯器的角度來考慮這個問題。

我們先來看一下下麵這個例子：

Object[] strings = new String[2];

strings[0] = “hi”;   // OK

strings[1] = 100;    // An ArrayStoreException is thrown.

對於上面這段程式碼還是很好理解，字串陣列不能存放整型元素，而且這樣的錯誤往往要等到程式碼執行的時候才能發現，編譯器是無法識別的。接下來我們再來看一下假設Java支援泛型陣列的建立會出現什麼後果：

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();

假設我們支援泛型陣列的建立，由於執行時期型別資訊已經被擦除，JVM實際上根本就不知道new ArrayList()和new ArrayList()的區別。類似這樣的錯誤假如出現才實際的應用場景中，將非常難以察覺。

如果你對上面這一點還抱有懷疑的話，可以嘗試執行下麵這段程式碼：

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

    }

}

問題二

繼續復用我們上面的Node的類，對於泛型程式碼，Java編譯器實際上還會偷偷幫我們實現一個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);

    }

}

看完上面的分析之後，你可能會認為在型別擦除後，編譯器會將Node和MyNode變成下麵這樣：

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);

    }

}

實際上不是這樣的，我們先來看一下下麵這段程式碼，這段程式碼執行的時候會丟擲ClassCastException異常，提示String無法轉換成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;

如果按照我們上面生成的程式碼，執行到第3行的時候不應該報錯(註意我註釋掉了第4行)，因為MyNode中不存在setData(String data)方法，所以只能呼叫父類Node的setData(Object data)方法，既然這樣上面的第3行程式碼不應該報錯，因為String當然可以轉換成Object了，那ClassCastException到底是怎麼丟擲的？

實際上Java編譯器對上面程式碼自動還做了一個處理：

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);

    }

    // …

}

這也就是為什麼上面會報錯的原因了，setData((Integer) data);的時候String無法轉換成Integer。所以上面第2行編譯器提示unchecked warning的時候，我們不能選擇忽略，不然要等到執行期間才能發現異常。如果我們一開始加上Node n = mn就好了，這樣編譯器就可以提前幫我們發現錯誤。

問題三

正如我們上面提到的，Java泛型很大程度上只能提供靜態型別檢查，然後型別的資訊就會被擦除，所以像下麵這樣利用型別引數建立實體的做法編譯器不會透過：

public static void append(List list) {

    E elem = new E();  // compile-time error

    list.add(elem);

}

但是如果某些場景我們想要需要利用型別引數建立實體，我們應該怎麼做呢？可以利用反射解決這個問題：

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

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

    list.add(elem);

}

我們可以像下麵這樣呼叫：

List ls = new ArrayList<>();

append(ls, String.class);

實際上對於上面這個問題，還可以採用Factory和Template兩種設計樣式解決，感興趣的朋友不妨去看一下Thinking in Java中第15章中關於Creating instance of types(英文版第664頁)的講解，這裡我們就不深入了。

問題四

我們無法對泛型程式碼直接使用instanceof關鍵字，因為Java編譯器在生成程式碼的時候會擦除所有相關泛型的型別資訊，正如我們上面驗證過的JVM在執行時期無法識別出ArrayList和ArrayList的之間的區別：

public static void rtti(List list) {

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

        // …

    }

}

=> { ArrayList, ArrayList, LinkedList, … }

和上面一樣，我們可以使用萬用字元重新設定bounds來解決這個問題：

public static void rtti(List > list) {

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

        // …

    }

}

工廠樣式

接下來我們利用泛型來簡單的實現一下工廠樣式，首先我們先宣告一個介面Factory：

package typeinfo.factory;

public interface Factory {

    T create();

}

接下來我們來建立幾個物體類FuelFilter和AirFilter以及FanBelt和GeneratorBelt。

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();

        }

    }

}

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類的實現如下，註意我們上面的物體類都是Part類的間接子類。在Part類我們註冊了我們上面的宣告的物體類。所以以後我們如果要建立相關的物體類的話，只需要在呼叫Part類的相關方法了。這麼做的一個好處就是如果的業務中出現了CabinAirFilter或者PowerSteeringBelt的話，我們不需要修改太多的程式碼，只需要在Part類中將它們註冊即可。

class Part {

    static List> partFactories =

        new ArrayList>();

    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();

    }

}

最後我們來測試一下：

public class RegisteredFactories {

    public static void main(String[] args) {

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

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

        }

    }

}

References

• ORACLE-DOCUMENTATION

  https://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/generics/index.html

• THINKING IN JAVA

  http://mindview.net/Books/TIJ4

• EFFECTIVE JAVA

  https://www.safaribooksonline.com/library/view/effective-java-2nd/9780137150021/

看完本文有收穫？請轉發分享給更多人

關註「ImportNew」，提升Java技能