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Java泛型

开发人员在使用泛型的时候,很容易根据自己的直觉而犯一些错误。比如一个方法如果接收List<Object>作为形式参数,那么如果尝试将一个List<String>的对象作为实际参数传进去,却发现无法通过编译。虽然从直觉上来说,ObjectString的父类,这种类型转换应该是合理的。但是实际上这会产生隐含的类型转换问题,因此编译器直接就禁止这样的行为

类型擦除

Java中的泛型基本上都是在编译器这个层次来实现的,在生成的Java字节代码中是不包含泛型中的类型信息的。使用泛型的时候加上的类型参数,会被编译器在编译的时候去掉,这个过程就称为类型擦除。如在代码中定义的List<Object>List<String>等类型,在编译之后都会变成ListJVM看到的只是List,而由泛型附加的类型信息对JVM来说是不可见的。Java编译器会在编译时尽可能的发现可能出错的地方,但是仍然无法避免在运行时刻出现类型转换异常的情况。

很多泛型的奇怪特性都与这个类型擦除的存在有关,包括:

  • 泛型类并没有自己独有的Class类对象。比如并不存在List<String>.class或是List<Integer>.class,而只有List.class

  • 静态变量是被泛型类的所有实例所共享的。对于声明为MyClass<T>的类,访问其中的静态变量的方法仍然是 MyClass.myStaticVar。不管是通过new MyClass<String>还是new MyClass<Integer>创建的对象,都是共享一个静态变量。

  • 泛型的类型参数不能用在Java异常处理的catch语句中。因为异常处理是由JVM在运行时刻来进行的。由于类型信息被擦除,JVM是无法区分两个异常类型MyException<String>MyException<Integer>的。对于JVM来说,它们都是 MyException类型的。也就无法执行与异常对应的catch语句。

类型擦除的基本过程也比较简单,首先是找到用来替换类型参数的具体类。这个具体类一般是Object。如果指定了类型参数的上界的话,则使用这个上界。把代码中的类型参数都替换成具体的类。同时去掉出现的类型声明,即去掉<>的内容。比如T get()方法声明就变成了Object get()List<String>就变成了List。接下来就可能需要生成一些桥接方法(bridge method)。这是由于擦除了类型之后的类可能缺少某些必须的方法。比如考虑下面的代码:

class MyString implements Comparable<String> {
    public int compareTo(String str) {        
        return 0;    
    }
}

当类型信息被擦除之后,上述类的声明变成了class MyString implements Comparable。但是这样的话,类MyString就会有编译错误,因为没有实现接口Comparable声明的int compareTo(Object)方法。这个时候就由编译器来动态生成这个方法。

通配符

在使用泛型类的时候,既可以指定一个具体的类型,如List<String>就声明了具体的类型是String;也可以用通配符?来表示未知类型,如List<?>就声明了List中包含的元素类型是未知的。 通配符所代表的其实是一组类型,但具体的类型是未知的。List<?>所声明的就是所有类型都是可以的。但是List<?>并不等同于List<Object>List<Object>实际上确定了List中包含的是Object及其子类,在使用的时候都可以通过Object来进行引用。而List<?>则其中所包含的元素类型是不确定。其中可能包含的是String,也可能是 Integer。如果它包含了String的话,往里面添加Integer类型的元素就是错误的。正因为类型未知,就不能通过new ArrayList()的方法来创建一个新的ArrayList对象。因为编译器无法知道具体的类型是什么。但是对于 List中的元素确总是可以用Object来引用的,因为虽然类型未知,但肯定是Object及其子类。考虑下面的代码:

public void wildcard(List<?> list) {
    list.add(1);//编译错误
}  

如上所示,试图对一个带通配符的泛型类进行操作的时候,总是会出现编译错误。其原因在于通配符所表示的类型是未知的。

因为对于List<?>中的元素只能用Object来引用,在有些情况下不是很方便。在这些情况下,可以使用上下界来限制未知类型的范围。 如 List<? extends Number>说明List中可能包含的元素类型是Number及其子类。而List<? super Number>则说明List中包含的是Number及其父类。当引入了上界之后,在使用类型的时候就可以使用上界类中定义的方法。

类型系统

在Java中,大家比较熟悉的是通过继承机制而产生的类型体系结构。比如String继承自Object。根据Liskov替换原则,子类是可以替换父类的。当需要Object类的引用的时候,如果传入一个String对象是没有任何问题的。但是反过来的话,即用父类的引用替换子类引用的时候,就需要进行强制类型转换。编译器并不能保证运行时刻这种转换一定是合法的。这种自动的子类替换父类的类型转换机制,对于数组也是适用的。 String[]可以替换Object[]。但是泛型的引入,对于这个类型系统产生了一定的影响。正如前面提到的List是不能替换掉List的。

引入泛型之后的类型系统增加了两个维度:一个是类型参数自身的继承体系结构,另外一个是泛型类或接口自身的继承体系结构。第一个指的是对于 List<String>List<Object>这样的情况,类型参数String是继承自Object的。而第二种指的是 List接口继承自Collection接口。对于这个类型系统,有如下的一些规则:

  • 相同类型参数的泛型类的关系取决于泛型类自身的继承体系结构。即List<String>Collection<String> 的子类型,List<String>可以替换Collection<String>。这种情况也适用于带有上下界的类型声明。

  • 当泛型类的类型声明中使用了通配符的时候,其子类型可以在两个维度上分别展开。如对Collection<? extends Number>来说,其子类型可以在Collection这个维度上展开,即List<? extends Number>Set<? extends Number>等;也可以在Number这个层次上展开,即Collection<Double>Collection<Integer>等。如此循环下去,ArrayList<Long>HashSet<Double>等也都算是Collection<? extends Number>的子类型。

  • 如果泛型类中包含多个类型参数,则对于每个类型参数分别应用上面的规则。