java為什麼要用類型擦除實現泛型？

来源:https://www.cnblogs.com/rese-t/archive/2017/12/31/8158870.html
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為什麼需要泛型？ 試想你需要一個簡單的容器類，或者說句柄類，比如要存放一個蘋果的籃子，那你可以這樣簡單的實現： 這樣一個簡單的籃子就實現了，但問題是它只能存放蘋果，之後又出現了另外的一大堆水果類，那你就不得不為這些水果類分別實現容器： 然後你發現你其實在做大量的重覆勞動。所以你幻想你的語言編譯器要是 ...


 

為什麼需要泛型？

試想你需要一個簡單的容器類，或者說句柄類，比如要存放一個蘋果的籃子，那你可以這樣簡單的實現：

class Fruit{}
class Apple extends Fruit{}

class Bucket{
    private Apple apple;
   
     public void set(Apple apple){
        this.apple = apple;
    }
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    public Apple get(){
        return this.apple;
    }
}

這樣一個簡單的籃子就實現了，但問題是它只能存放蘋果，之後又出現了另外的一大堆水果類，那你就不得不為這些水果類分別實現容器：

class Fruit{}
class Apple extends Fruit{}
class Banana extends Fruit{}
class Orange extends Fruit{}

class BucketApple{
    private Apple apple;

    public void set(Apple apple){
        this.apple = apple;
    }

    public Apple get(){
        return this.apple;
    }
}

class BucketBanana{
    private Banana banana;

    public void set(Banana banana){
        this.banana = banana;
    }

    public Banana get(){
        return this.banana;
    }
}
class BucketOrange{
    private Orange orange;
java學習群669823128
    public void set(Orange orange){
        this.orange = orange;
    }

    public Orange get(){
        return this.orange;
    }
}

然後你發現你其實在做大量的重覆勞動。所以你幻想你的語言編譯器要是支持某一種功能，能夠幫你自動生成這些代碼就好了。

不過在祈求讓編譯器幫你生成這些代碼之前，你突然想到了Object能夠引用任何類型的對象，所以你只要寫一個Object類型的Bucket就可以存放任何類型了。

class Bucket{
    private Object object;

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

    public Object get(){
        return this.object;
    }
}

但是問題是這種容器的類型丟失了，你不得不在輸出的地方加入類型轉換：

Bucket appleBucket = new Bucket();
bucket.set(new Apple());
Apple apple = (Apple)bucket.get();

而且你無法保證被放入容器的就是Apple，因為Object可以指向任何引用類型。

這個時候你可能又要祈求編譯器來幫你完成這些類型檢查了。

說道這裡，你應該明白了泛型要保證兩件事，第一：我只需要定義一次類，就可以被“任何”類型使用，而不是對每一種類型定義一個類。第二：我的泛型只能保存我指明的類型，而不是放一堆object引用。

實際上很多語言的泛型就是基於以上兩點而實現的，下麵我就將分別介紹c++，java，c# 的泛型是如何實現的。對比的原因是為了說明為什麼它要這麼實現，這樣實現的優點和缺點是什麼。

c++

巨集

大部分人在大學都學過c語言，你一定記得c語言中有一種被稱為巨集的東西，巨集能夠在預編譯期來“替換”代碼。因為c++是相容c的，所以巨集在c++中同樣可以使用。

比如下麵這段代碼：

#define square(x) x*x
int a = square(5);

在預處理期之後，你代碼中所有的 square(5); ，都被替換成了 5*5 。

同理，有人把c++中的模板稱為高級巨集，當我們在c++中定義一個Bucket模板類之後。可以分別去聲明不同類型的模板實現。

#include <iostream>

template<class T> class Bucket{
private:
    T stuff;
public:
    void set(T t){
        this->stuff = t;
    }

    T get(){
        return this->stuff;
    }
};

class Fruit{};
class Apple : public Fruit{};
class Banana : public Fruit{};
class Orange : public Fruit{};
int main() {
    std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
    Bucket<Apple> appleBucket;
    appleBucket.set(Apple());
    Bucket<Banana> bananaBucket;
    bananaBucket.set(Banana());
    return 0;
}

而當你在編譯之前，c++的模板會進行展開，變成類似這個樣子：

class Bucket_Apple  {
    private:
       Apple  stuff;
    public:
        void set(Apple  t){
            this->stuff = t;
        }

       Apple  get(){
            return this->stuff;
        }
 };

這樣你就明白為什麼c++的模板能夠實現泛型了吧，因為它幫你生成了不同類型的代碼。

實際上c++的模板又稱為：編譯時多態技術，功能遠比泛型強大。我們常聽到的：“c++元編程”，即所謂的用代碼來生成代碼的技術。就是基於它的模板。

但是你發現這種技術有一個弊端，就是如果我要聲明瞭100個不同類型的水果容器，那它可能會生成100份代碼。那大量使用模板的c++代碼，編譯後的文件將非常大。（猜測某些編譯器可能會做優化處理，這部分我並不是很清楚，歡迎指正。）

java

java的泛型在底層實現上使用了Object引用，也就是我們之前所提到的第二種方式，但是為了防止你往一個Apple的Bucket添加一個Banana。編譯器會先根據你聲明的泛型類型進行靜態類型檢查，然後再進行類型擦出，擦除為Object。而所謂的類型檢查，就是在邊界（對象進入和離開的地方）處，檢查類型是否符合某種約束，簡單的來說包括：

  1. 賦值語句的左右兩邊類型必須相容。
  2. 函數調用的實參與其形參類型必須相容。
  3. return的表達式類型與函數定義的返回值類型必須相容。
  4. 還有多態類型檢查，既向上轉型可以直接通過，但是向下轉型必須強制類型轉換（前提是有繼承關係）
Number n = new Integer(1);
Integer b = (Integer)n;

但是要註意的一點是，編譯器只會檢查繼承關係是否符合。強轉本身如果有問題，在運行時才會發現。所以下麵這行代碼在運行期才會拋異常。

// n is Integer
Double d = (Double)n;

所以你不能在一個ArrayList 中插入一個String對象, 但在運行是列印泛型類的類型卻是一樣的：

ArrayList<Integer> arrayListInt = new ArrayList<Integer>();
ArrayList<String> arrayListString = new ArrayList<String>();
ArrayList arrayList = new ArrayList();
System.out.println(arrayListInt.getClass().getName());
System.out.println(arrayListString.getClass().getName());
System.out.println(arrayList.getClass().getName());
# all print java.util.ArrayList

但這種技術也有一個弊端，就是既然擦成object了，那麼在運行的時候，你根本不能確定這個對象到底是什麼類型，雖然你可以通過編譯器幫你插入的checkcast來獲得此對象的類型。但是你並不能把T真正的當作一個類型使用：比如這條語句在java中是非法的。

// error
T a = new T();

同理，因為都被擦成了Object，你就不能根據類型來做某種區分。比如異常繼承：

// error
try {
} catch (SomeException<Integer> e) {
} catch (SomeException<String> e) {
}

比如重載：

// error
void f(List<T> v);
void f(List<W> v);

還有因為基本類型int並不屬於oop，所以它不能被擦除為Object，那麼java的泛型也不能用於基本類型。

// error
List<int> a;

類型擦出到底指什麼？

首先你要明白一點，一個對象的類型永遠不會被擦出的，比如你用一個Object去引用一個Apple對象，你還是可以獲得到它的類型的。比如用RTTI。

Object object = new Apple();
System.out.println(object.getClass().getName());
# will print Apple

哪怕它是放到泛型里的。

class Bucket<T>{
    private T t;

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

    public T get(){
        return this.t;
    }

    public  void showClass(){
        System.out.println(t.getClass().getName());
    }
}
Bucket<Apple> appleBucket = new Bucket<Apple>();
appleBucket.set(new Apple());
appleBucket.showClass();
# will print Apple too

為啥？因為引用就是一個用來訪問對象的標簽而已，對象一直在堆上放著呢。

所以不要斷章取義認為類型擦出就是把容器內對象的類型擦掉了，所謂的類型擦出，是指容器類 Bucket<Apple> ，對於Apple的類型聲明在編譯期的類型檢查之後被擦掉，變為和 Bucket<Object> 等同效果，也可以說是 Bucket<Apple> 和 Bucket<Banana> 被擦為和 Bucket<Object> 等價，而不是指裡面的對象本身的類型被擦掉！

c#

c#結合了c++的展開和java的代碼共用。

首先在編譯時，c#會將泛型編譯成元數據，即生成.net的IL Assembly代碼。併在CLR運行時，通過JIT（即時編譯）， 將IL代碼即時編譯成相應類型的特化代碼。

這樣的好處是既不會像c++那樣生成多份代碼，又不會像java那樣，丟失了泛型的類型。基本做到了兩全其美。

所以總結一下c++，java，c#的泛型。c++的泛型在編譯時完全展開，類型精度高，共用代碼差。java的泛型使用類型擦出，僅在編譯時做類型檢查，在運行時擦出，共用代碼好，但是類型精度不行。c#的泛型使用混合實現方式，在運行時展開，類型精度高，代碼共用不錯。

為什麼java要用類型擦除？

看到這裡你可能會問，為什麼java要用類型擦除這樣的技術來實現泛型，而不是像c#那樣高大上，難道是因為sun的那群人技術水平遠比不上微軟的那群人麽？

原因是為了向後相容。

你去查查歷史就會知道，c#和java在一開始都是不支持泛型的。為了讓一個不支持泛型的語言支持泛型，只有兩條路可以走，要麼以前的非泛型容器保持不變，然後平行的增加一套泛型化的類型。要麼直接把已有的非泛型容器擴展為泛型。不添加任何新的泛型版本。

當時c#從1.1升級到了2.0，代碼並不是很多，而且都在微軟.net的可控範圍，所以選擇了第一種實現方式，其實你可以發現，c#中有兩種寫法，非泛型寫法和泛型寫法：

// 非泛型
ArrayList array = new ArrayList();
// 泛型
List<int> list = new List<int>();

而java的非泛型容器，已經從1.4.2占有到5.0，市面上已經有大量的代碼，不得已選擇了第二種方法。（之所以是從1.4.2開始，是因為java以前連collection都沒有，是一種vector的寫法。），而且有一個更重要的原因就是之前提到的向後相容。所謂的向後相容，是保證1.5的程式在8.0上還可以運行。（當然指的是二進位相容，而非源碼相容。）所以本質上是為了讓非泛型的java程式在後續支持泛型的jvm上還可以運行。

那麼為什麼使用類型擦除就能保持向後相容呢？

在《java編程思想》中講到了這樣一個例子，下麵兩種代碼在編譯成java虛擬機彙編碼是一樣的，所以無論是函數的返回類型是T，還是你自己主動寫強轉，最後都是插入一條checkcast語句而已：

class SimpleHolder{
    private Object obj;

    public Object getObj() {
        return obj;
    }

    public void setObj(Object obj) {
        this.obj = obj;
    }
}

SimpleHolder holder = new SimpleHolder();
holder.setObj("Item");
String s = (String)holder.getObj();

class GenericHolder<T>{
    private T obj;

    public T getObj() {
        return obj;
    }

    public void setObj(T obj) {
        this.obj = obj;
    }
}

GenericHolder<String> holder = new GenericHolder<String>();
holder.setObj("Item");
String s = holder.getObj();

aload_1
invokevirtual // Method get: ()Object
checkcast // class java/lang/String
astore_2
return

我形象的理解為，之前非泛型的寫法，編譯成的虛擬機彙編碼塊是A，之後的泛型寫法，只是在A的前面，後面“插入”了其它的彙編碼，而並不會破壞A這個整體。這才算是既把非泛型“擴展為泛型”，又相容了非泛型。

這下你應該理解“java為什麼要用類型擦除實現泛型？”和這樣實現的優劣了吧

java學習群669823128


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