Java 泛型完全解讀

来源:https://www.cnblogs.com/sanzao/archive/2019/02/21/10415035.html
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對於泛型的使用我想大家都非常熟悉，但是對於類型擦除，邊界拓展等細節問題，可能不是很清楚，所以本文會重點講解一下；另外對泛型的瞭解其實可以看出，一個語言特性的產生邏輯，這對我們平時的開發也是非常有幫助的； 一、為什麼會出現泛型 首先泛型並不是Java的語言特性，是直到 JDK1.5 才支持的特性（具體 ...


對於泛型的使用我想大家都非常熟悉，但是對於類型擦除，邊界拓展等細節問題，可能不是很清楚，所以本文會重點講解一下；另外對泛型的瞭解其實可以看出，一個語言特性的產生邏輯，這對我們平時的開發也是非常有幫助的；

一、為什麼會出現泛型

首先泛型並不是Java的語言特性，是直到 JDK1.5 才支持的特性（具體區別後面會講到）；那麼在泛型出現之前是怎麼做的呢？

List list = new ArrayList();
list.add("123");
String s = (String) list.get(0);

如上面代碼所示，在集合裡面需要我們自己記住放進去的是什麼，取出來的時候再強轉； 也就將這種類型轉換的錯誤推遲到了運行時，即麻煩還不安全，所以才出現了泛型；

使用場景：泛型類，泛型介面，泛型方法；

public class Test<T>
public interface Test<T>
public <T> void test(T t)

二、泛型會帶來什麼樣的問題

正如上面所講泛型並不是 Java 一開始就具有的特性，所以在後來想要增加泛型的時候，就必須要相容以前的版本，Sun 他們想到的折中解決方案就是類型擦除；意思就是泛型的信息只存在於編譯期，在運行時期所有的泛型信息都被擦除了，就想沒有一樣；

List<String> list1 = new ArrayList<>();
List<Integer> list2 = new ArrayList<>();
System.out.println(list1.getClass());
System.out.println(list2.getClass() == list1.getClass());

// 列印：
class java.util.ArrayList
true

可以看到List<String>和List<String>在運行時其實都是一樣的，都是class java.util.ArrayList；所以在使用泛型的時候需要牢記，在運行時期沒有泛型信息，也無法獲取任何有關參數類型的信息；所以凡是需要獲取運行時類型的操作，泛型都不支持！

1. 不能用基本類型實例化類型參數

new ArrayList<int>();      // error
new ArrayList<Integer>();  // correct

因為類型擦除，會擦除到他的上界也就是Object；而 Java 的8個基本類型的直接父類是 Number，所以基本類型不不能用基本類型實例化類型參數，而必須使用基本類型的包裝類；

2. 不能用於運行時類型檢查

t instanceof T             // error
t instanceof List<T>       // error
t instanceof List<String>  // error
t instanceof List          // correct

但是可以使用clazz.isInstance();進行補償；

3. 不能創建類型實例

T t = new T();  // error

同樣可以使用clazz.newInstance();進行補償；

4. 不能靜態化

private static T t;                  // error
private T t;                         // correct
private static List<T> list;         // error
private static List<?> list;         // correct
private static List<String> list;    // correct

// e.g.
class Test<T> {
  private T t;
  public void set(T arg) { t = arg; }
  public T get() { return t; }
}

因為靜態變數在類中共用，而泛型類型是不確定的，所以泛型不能靜態化；但是非靜態的時候，編譯期可以根據上下文推斷出T是什麼，例如：

Test l = new Test();
System.out.println(l.get());
l.set("123");
System.out.println(l.get());

// javap -v 反編譯
12: invokevirtual #15         // Method JDK/Test14_genericity$Test.get:()Ljava/lang/Object;
15: invokevirtual #16         // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
18: aload_1
19: ldc       #17             // String 123
21: invokevirtual #18         // Method JDK/Test14_genericity$Test.set:(Ljava/lang/Object;)V
24: getstatic   #6            // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;

// ---------------------------
Test l = new Test();
System.out.println(l.get());
l.set("123");
System.out.println(l.get());

// javap -v 反編譯
12: invokevirtual #15         // Method JDK/Test14_genericity$Test.get:()Ljava/lang/Object;
15: invokevirtual #16         // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
18: aload_1
19: bipush    123
21: invokestatic  #17         // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;

根據上面的代碼，可以很清楚的看到，編譯器對非靜態類型的推導；

另外List<?>和List<String>之所以是正確的，仍然是因為編譯器可以在編譯期間就能確定類型轉換的正確性；

5. 不能拋出或捕獲泛型類的實例

catch (T t)                        // error
class Test<T> extends Throwable    // error

因為在捕捉異常時候需要運行時類信息，並且判斷異常的繼承關係，所以不能拋出或捕獲泛型類的實例；

6. 不允許作為參數進行重載

void test(List<Integer> list)
void test(List<String> list)

因為在運行時期泛型信息被擦除，重載的兩個方法簽名就完全一樣了；

7. 不能創建泛型數組

對於一點我覺得是最重要的，關於數組的介紹可以參考，Array 相關 ；

List<String>[] lists = new ArrayList<String>[10];             // error
List<String>[] lists1 = (List<String>[]) new ArrayList[10];   // correct

之所以不能創建泛型數組的主要原因：

  • 數組是協變的，而泛型的不變的；
  • 數組的Class信息是在運行時動態創建的，而運行時不能獲取泛型的類信息；

根據上面的講解可以看出所謂的擦除補償或者擦除後的修正，其大體思路都是用額外的方法告知運行時的類型信息，可以是記錄到局部變數，也可以是指定參數的確切類型（Array.newInstance(Class<?> componentType, int length)）；

三、邊界拓展

基於安全的考慮 Java 泛型是不變的（避免取出數據時的類型轉換錯誤）；

List<Object> list = new ArrayList<String>();    // error

所以在使用集合類的時候，每個集合都需要強制指定確切類型就有點不方便，比如我想指定一個集合存放 A 以及 A 的子類；在這種情況下就引入了extends,super,? 來拓展和管理泛型的邊界；

1. 無界通配符 <?>

通配符主要用於泛型的使用場景（泛型一般有“聲明”和“使用”兩種場景）；
通常情況下<?>和原生類型大致相同，就像List和List<?>的表現大部分都是一樣的；但是要註意他們其實是有本質去別的，<?> 代表了某一特定的類型，但是編譯器不知道這種類型是什麼；而原生的表示可以是任何 Object，其中並沒有類型限制；

List<?> list = new ArrayList<String>();    // correct
list.add("34");                            // error
String s = list.get(0);                    // error
Object o = list.get(0);                    // correct

boolean add(E e);

上面的代碼很明確的反應了這一點（<?> 代表了某一特定的類型，但是編譯器不知道這種類型是什麼），

  • 因為編譯器不知道這種類型是什麼，所以在添加元素的時候，當然也就不能確認添加的這個類型是否正確；當使用<?>的時候，代碼中的add(E e)方法，此時的 E 會被替換為 <?>，實際上編譯器為了安全起見，會直接拒絕參數列表中涉及通配符的方法調用；就算這個方法沒有向集合中添加元素，也會被直接拒絕；
  • 當List<?>取出元素的時候，同樣因為不知道這個特定的類型是什麼，所以只能將取出的元素放在Object中；或者在取出後強轉；

2. 上界 <extends>

extends，主要用於確定泛型的上界；

<T extends Test>                             // 泛型聲明
<T extends Test & interface1 & interface2>   // 聲明泛型是可以確定多個上界
<? extends T>                                // 泛型使用時

界定的範圍如圖所示：

upperBounds

應當註意的是當extends用於參數類型限定時：

List<? extends List> list = new ArrayList<ArrayList>();  // correct
list.add(new ArrayList());                               // error
List l = list.get(0);                                    // correct
ArrayList l = list.get(0);                               // error

上面的分析同無界通配符類似，只是 List l = list.get(0); 是正確的，是因為 <? extends List> 界定了放入的元素一定是 List 或者 list 的子類，所以取出的元素能放入 List 中，但是不能放入 ArrayList 中；

3. 下界 <super>

super，主要用於確定泛型的下界；如圖所示：

lowerBounds

List<? super HashMap> list = new ArrayList<>();   // correct
LinkedHashMap m = new LinkedHashMap();            // correct
HashMap m1 = m;                                   // correct
Map m2 = m;                                       // correct
list.add(m);                                      // correct
list.add(m1);                                     // correct
list.add(m2);                                     // error

Map mm = list.get(0);                             // error
LinkedHashMap mm1 = list.get(0);                  // error

根據圖中的範圍對照代碼，就能很快發現Map在List<? super HashMap>的範圍之外；而編輯器為了安全泛型下界集合取出的元素只能放在 Object裡面；

4. PECS 原則

PECS原則是對上界和下界使用的歸納，即producer-extends, consumer-super；結合上面的兩幅圖，表示：

  • extends，只能讀，相當於生產者，向外產出；
  • super，只能寫，相當於消費者，只能接收消費；
  • 同時邊界不能同時規定上界和下界，正如圖所示，他們的範圍其實是一樣的，只是開口不一樣；

5. 自限定類型

對於上面講的泛型邊界拓展，有一個很特別的用法，

class Test<T extends Test<T>> {}

public <T extends Comparable<T>> T max(List<T> list) {}

自限定類型可以通俗的解釋，就是用自己限定自己，即自和自身相同的類進行某操作；如上面的 max 方法，就表示可以和自身進行比較的類型；

那麼如果想要表達只要是同一祖先就能相互比較呢？

public <T extends Comparable<? super>> T max(List<? extends T> list) {}

<T extends Comparable<? super>>：表明只要是同一祖先就能相互比較，<? extends T>表明集合中裝的都是同一祖先的元素；（出至《Effective Java》第 28 條）

總結

  • 對於泛型的時候首先要很清楚的知道，在運行時沒有任何泛型的信息，全部都被擦除掉了；
  • 需要知道 Java 泛型做不到的事情；
  • 需要知道怎麼拓展邊界，讓泛型更加靈活；

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