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    Java 泛型完全解读

    时间:2019-02-22   来源:尚学堂   阅读:126

    对于泛型的使用我想大家都非常熟悉,但是对于类型擦除,边界拓展等细节问题,可能不是很清楚,所以本文会重点讲解一下;另外对泛型的了解其实可以看出,一个语言特性的产生逻辑,这对我们平时的开发也是非常有帮助的;

    一、为什么会出现泛型

    首先泛型并不是Java的语言特性,是直到 JDK1.5 才支持的特性(具体区别后面会讲到);那么在泛型出现之前是怎么做的呢?

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

    如上面代码所示,在集合里面需要我们自己记住放进去的是什么,取出来的时候再强转; 也就将这种类型转换的错误推迟到了运行时,即麻烦还不安全,所以才出现了泛型;

    使用场景:泛型类,泛型接口,泛型方法;

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

    二、泛型会带来什么样的问题

    正如上面所讲泛型并不是 Java 一开始就具有的特性,所以在后来想要增加泛型的时候,就必须要兼容以前的版本,Sun 他们想到的折中解决方案就是类型擦除;意思就是泛型的信息只存在于编译期,在运行时期所有的泛型信息都被擦除了,就想没有一样;

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

    // 打?。?br /> class java.util.ArrayList
    true

    可以看到List<String>List<String>在运行时其实都是一样的,都是class java.util.ArrayList;所以在使用泛型的时候需要牢记,在运行时期没有泛型信息,也无法获取任何有关参数类型的信息;所以凡是需要获取运行时类型的操作,泛型都不支持!

     

    1. 不能用基本类型实例化类型参数

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

    因为类型擦除,会擦除到他的上界也就是Object;而 Java 的8个基本类型的直接父类是 Number,所以基本类型不不能用基本类型实例化类型参数,而必须使用基本类型的包装类;

    2. 不能用于运行时类型检查

    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();进行补偿;

    3. 不能创建类型实例

    T t = new T();  // error

    同样可以使用clazz.newInstance();进行补偿;

    4. 不能静态化

    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; }
    }

    因为静态变量在类中共享,而泛型类型是不确定的,所以泛型不能静态化;但是非静态的时候,编译期可以根据上下文推断出T是什么,例如:

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

    根据上面的代码,可以很清楚的看到,编译器对非静态类型的推导;

    另外List<?>和List<String>之所以是正确的,仍然是因为编译器可以在编译期间就能确定类型转换的正确性;

    5. 不能抛出或捕获泛型类的实例

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

    因为在捕捉异常时候需要运行时类信息,并且判断异常的继承关系,所以不能抛出或捕获泛型类的实例;

    6. 不允许作为参数进行重载

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

    因为在运行时期泛型信息被擦除,重载的两个方法签名就完全一样了;

    7. 不能创建泛型数组

    对于一点我觉得是最重要的,关于数组的介绍可以参考,Array 相关 ;

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

    之所以不能创建泛型数组的主要原因:

    • 数组是协变的,而泛型的不变的;
    • 数组的Class信息是在运行时动态创建的,而运行时不能获取泛型的类信息;

    根据上面的讲解可以看出所谓的擦除补偿或者擦除后的修正,其大体思路都是用额外的方法告知运行时的类型信息,可以是记录到局部变量,也可以是指定参数的确切类型(Array.newInstance(Class<?> componentType, int length));

    三、边界拓展

    基于安全的考虑 Java 泛型是不变的(避免取出数据时的类型转换错误);

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

    所以在使用集合类的时候,每个集合都需要强制指定确切类型就有点不方便,比如我想指定一个集合存放 A 以及 A 的子类;在这种情况下就引入了extends,super,? 来拓展和管理泛型的边界;

    1. 无界通配符 <?>

    通配符主要用于泛型的使用场景(泛型一般有“声明”和“使用”两种场景);
    通常情况下<?>和原生类型大致相同,就像ListList<?>的表现大部分都是一样的;但是要注意他们其实是有本质去别的,<?> 代表了某一特定的类型,但是编译器不知道这种类型是什么;而原生的表示可以是任何 Object,其中并没有类型限制;

    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);

    上面的代码很明确的反应了这一点(<?> 代表了某一特定的类型,但是编译器不知道这种类型是什么),

    • 因为编译器不知道这种类型是什么,所以在添加元素的时候,当然也就不能确认添加的这个类型是否正确;当使用<?>的时候,代码中的add(E e)方法,此时的 E 会被替换为 <?>,实际上编译器为了安全起见,会直接拒绝参数列表中涉及通配符的方法调用;就算这个方法没有向集合中添加元素,也会被直接拒绝;
    • List<?>取出元素的时候,同样因为不知道这个特定的类型是什么,所以只能将取出的元素放在Object中;或者在取出后强转;

    2. 上界 <extends>

    extends,主要用于确定泛型的上界;

    <T extends Test>                             // 泛型声明
    <T extends Test & interface1 & interface2>   // 声明泛型是可以确定多个上界
    <? extends T>                                // 泛型使用时

    界定的范围如图所示:

    应当注意的是当extends用于参数类型限定时:

    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

    上面的分析同无界通配符类似,只是 List l = list.get(0); 是正确的,是因为 <? extends List> 界定了放入的元素一定是 List 或者 list 的子类,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,主要用于确定泛型的下界;如图所示:

    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

    根据图中的范围对照代码,就能很快发现MapList<? super HashMap>的范围之外;而编辑器为了安全泛型下界集合取出的元素只能放在 Object里面;

    4. PECS 原则

    PECS原则是对上界和下界使用的归纳,即producer-extends, consumer-super;结合上面的两幅图,表示:

    • extends,只能读,相当于生产者,向外产出;
    • super,只能写,相当于消费者,只能接收消费;
    • 同时边界不能同时规定上界和下界,正如图所示,他们的范围其实是一样的,只是开口不一样;

    5. 自限定类型

    对于上面讲的泛型边界拓展,有一个很特别的用法,

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

    自限定类型可以通俗的解释,就是用自己限定自己,即自和自身相同的类进行某操作;如上面的 max 方法,就表示可以和自身进行比较的类型;

    那么如果想要表达只要是同一祖先就能相互比较呢?

    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较,<? extends T>表明集合中装的都是同一祖先的元素;(出至《Effective Java》第 28 条)

    总结

    • 对于泛型的时候首先要很清楚的知道,在运行时没有任何泛型的信息,全部都被擦除掉了;
    • 需要知道 Java 泛型做不到的事情;
    • 需要知道怎么拓展边界,让泛型更加灵活;

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