Java泛型的設計
Java泛型的設計
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，將會涉及到通配符處理，以及讓人苦惱的類型擦除。
泛型基礎
泛型類
我們首先定義一個簡單的Box類：
publicclass Box {
private String object;
publicvoid set(Stringobject) { 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裏面現在只能裝入String類型的元素，今後如果我們需要裝入Integer等其他類型的元素，還必須要另外重寫一個Box，代碼得不到復用，使用泛型可以很好的解決這個問題。
publicclass Box<T> {
// T stands for "Type"
private T t;
publicvoid set(T t) { this.t = t; }
public T get() { return t; }
}
這樣我們的
Box<Integer> integerBox = newBox<Integer>();
Box<Double> doubleBox = newBox<Double>();
Box<String> stringBox = newBox<String>();
泛型方法
看完了泛型類，接下來我們來了解一下泛型方法。聲明一個泛型方法很簡單，只要在返回類型前面加上一個類似 <K, V> 的形式就行了：
publicclass Util {
publicstatic <K, V> boolean compare(Pair<K, V> p1, Pair<K,V> p2) {
returnp1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
p1.getValue().equals(p2.getValue());
}
}
publicclass Pair<K, V> {
private K key;
private V value;
public Pair(K key, V value) {
this.key = key;
this.value = value;
}
publicvoid setKey(K key) { this.key = key; }
publicvoid setValue(V value){ this.value = value; }
public K getKey() { return key; }
public V getValue() { return value; }
}
我們可以像下面這樣去調用泛型方法：
Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.<Integer, String>compare(p1, p2);
或者在Java1.7/1.8利用type inference，讓Java自動推導出相應的類型參數：
Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair<Integer, String> 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，查找一個泛型數組中大於某個特定元素的個數，我們可以這樣實現：
publicstatic <T> 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 等原始類型，其他的類並不一定能使用操作符 > ，所以編譯器報錯，那怎麽解決這個問題呢？答案是使用邊界符。
publicinterface Comparable<T> {
publicint compareTo(T o);
}
做一個類似於下面這樣的聲明，這樣就等於告訴編譯器類型參數 T 代表的都是實現了 Comparable 接口的類，這樣等於告訴編譯器它們都至少實現了 compareTo 方法。
publicstatic <T extendsComparable<T>> intcountGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
int count = 0;
for (T e : anArray)
if(e.compareTo(elem) > 0)
++count;
return count;
}
通配符
在了解通配符之前，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，假設我們添加一個這樣的方法：
publicvoid boxTest(Box<Number> n) { /* ... */ }
那麽現在 Box<Number>n 允許接受什麽類型的參數？我們是否能夠傳入 Box<Integer> 或者 Box<Double> 呢？答案是否定的，雖然Integer和Double是Number的子類，但是在泛型中 Box<Integer> 或者 Box<Double> 與 Box<Number> 之間並沒有任何的關系。這一點非常重要，接下來我們通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，下面我們將用到它：
class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}
class Orange extends Fruit {}
下面這個例子中，我們創建了一個泛型類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<Fruit> 與 List<Apple> 之間並沒有任何的關系。
publicclass GenericReading {
static List<Apple>apples = Arrays.asList(new Apple());
static List<Fruit>fruit = Arrays.asList(new Fruit());
staticclass Reader<T> {
TreadExact(List<T> list) {
return list.get(0);
}
}
staticvoid f1() {
Reader<Fruit> fruitReader = newReader<Fruit>();
// Errors:List<Fruit> cannot be applied to List<Apple>.
// Fruit f =fruitReader.readExact(apples);
}
publicstaticvoid main(String[] args) {
f1();
}
}
但是按照我們通常的思維習慣，Apple和Fruit之間肯定是存在聯系，然而編譯器卻無法識別，那怎麽在泛型代碼中解決這個問題呢？我們可以通過使用通配符來解決這個問題：
staticclass CovariantReader<T> {
T readCovariant(List<? extends T>list) {
return list.get(0);
}
}
staticvoid f2() {
CovariantReader<Fruit> fruitReader = newCovariantReader<Fruit>();
Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);
Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);
}
publicstaticvoid main(String[]args) {
f2();
}
這樣就相當與告訴編譯器，fruitReader的readCovariant方法接受的參數只要是滿足Fruit的子類就行(包括Fruit自身)，這樣子類和父類之間的關系也就關聯上了。
PECS原則
上面我們看到了類似 <? extendsT> 的用法，利用它我們可以從list裏面get元素，那麽我們可不可以往list裏面add元素呢？我們來嘗試一下：
publicclass GenericsAndCovariance {
publicstaticvoid main(String[] args) {
// Wildcards allow covariance:
List<? extends Fruit> flist = newArrayList<Apple>();
// Compile Error:can‘t add any type of object:
// flist.add(newApple())
// flist.add(newOrange())
// flist.add(newFruit())
// flist.add(newObject())
flist.add(null); // Legal but uninteresting
// We Know that itreturns 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，為什麽呢？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 = newArrayList<Fruit>();
List<? extends Fruit> flist = newArrayList<Apple>();
List<? extends Fruit> flist = newArrayList<Orange>();
· 當我們嘗試add一個Apple的時候，flist可能指向 new ArrayList<Orange>() ;
· 當我們嘗試add一個Orange的時候，flist可能指向 new ArrayList<Apple>() ;
· 當我們嘗試add一個Fruit的時候，這個Fruit可以是任何類型的Fruit，而flist可能只想某種特定類型的Fruit，編譯器無法識別所以會報錯。
所以對於實現了 <? extendsT> 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元素應該怎麽做呢？可以使用 <? super T> ：
publicclass GenericWriting {
static List<Apple>apples = newArrayList<Apple>();
static List<Fruit>fruit = newArrayList<Fruit>();
static <T> void writeExact(List<T> list, T item) {
list.add(item);
}
staticvoid f1() {
writeExact(apples, new Apple());
writeExact(fruit, new Apple());
}
static <T> void writeWithWildcard(List<? super T> list, T item) {
list.add(item)
}
staticvoid f2() {
writeWithWildcard(apples, new Apple());
writeWithWildcard(fruit, new Apple());
}
publicstaticvoid main(String[] args) {
f1(); f2();
}
}
這樣我們可以往容器裏面添加元素了，但是使用super的壞處是以後不能get容器裏面的元素了，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 ，它可以有下面幾種含義：
List<? super Apple> list = newArrayList<Apple>();
List<? super Apple> list = newArrayList<Fruit>();
List<? super Apple> list = newArrayList<Object>();
當我們嘗試通過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等其他類型的Fruit。
根據上面的例子，我們可以總結出一條規律，”ProducerExtends, Consumer Super”：
· “ProducerExtends” – 如果你需要一個只讀List，用它來produceT，那麽使用 ? extends T 。
· “ConsumerSuper” – 如果你需要一個只寫List，用它來consumeT，那麽使用 ? super T 。
· 如果需要同時讀取以及寫入，那麽我們就不能使用通配符了。
如何閱讀過一些Java集合類的源碼，可以發現通常我們會將兩者結合起來一起用，比如像下面這樣：
publicclass Collections {
publicstatic <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
for (int i=0; i<src.size(); i++)
dest.set(i, src.get(i));
}
}
類型擦除
Java泛型中最令人苦惱的地方或許就是類型擦除了，特別是對於有C++經驗的 程序員 。類型擦除就是說Java泛型只能用於在編譯期間的靜態類型檢查，然後編譯器生成的代碼會擦除相應的類型信息，這樣到了運行期間實際上JVM根本就知道泛型所代表的具體類型。這樣做的目的是因為Java泛型是1.5之後才被引入的，為了保持向下的兼容性，所以只能做類型擦除來兼容以前的非泛型代碼。對於這一點，如果閱讀Java集合框架的源碼，可以發現有些類其實並不支持泛型。
說了這麽多，那麽泛型擦除到底是什麽意思呢？我們先來看一下下面這個簡單的例子：
publicclass Node<T> {
private T data;
private Node<T>next;
public Node(T data, Node<T> next) } this.data = data;
this.next = next;
}
public T getData() { return data; }
// ...
}
編譯器做完相應的類型檢查之後，實際上到了運行期間上面這段代碼實際上將轉換成：
publicclass Node {
private Object data;
private Node next;
public Node(Object data, Node next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public Object getData() { return data; }
// ...
}
這意味著不管我們聲明Node<String> 還是 Node<Integer> ，到了運行期間，JVM統統視為 Node<Object> 。有沒有什麽辦法可以解決這個問題呢？這就需要我們自己重新設置bounds了，將上面的代碼修改成下面這樣：
publicclass Node<T extends Comparable<T>> {
private T data;
private Node<T>next;
public Node(T data, Node<T> 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 而不再是默認的 Object 了：
publicclass 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類型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中不允許創建泛型數組，類似下面這樣的做法編譯器會報錯：
List<Integer>[] arrayOfLists = new List<Integer>[2]; // compile-time error
為什麽編譯器不支持上面這樣的做法呢？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。
我們先來看一下下面這個例子：
Object[] strings = new String[2];
strings[0] = "hi"; // OK
strings[1] = 100; // AnArrayStoreException is thrown.
對於上面這段代碼還是很好理解，字符串數組不能存放整型元素，而且這樣的錯誤往往要等到代碼運行的時候才能發現，編譯器是無法識別的。接下來我們再來看一下假設Java支持泛型數組的創建會出現什麽後果：
Object[] stringLists = newList<String>[]; // compiler error, but pretend it‘s allowed
stringLists[0] = newArrayList<String>(); // OK
// An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can‘t detectit.
stringLists[1] = newArrayList<Integer>();
假設我們支持泛型數組的創建，由於運行時期類型信息已經被擦除，JVM實際上根本就不知道 new ArrayList<String>() 和 new ArrayList<Integer>() 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，可以嘗試運行下面這段代碼：
publicclass ErasedTypeEquivalence {
publicstaticvoid main(String[] args) {
Class c1 = new ArrayList<String>().getClass();
Class c2 = new ArrayList<Integer>().getClass();
System.out.println(c1 == c2); // true
}
}
問題二
繼續復用我們上面的 Node 的類，對於泛型代碼，Java編譯器實際上還會偷偷幫我們實現一個Bridge method。
publicclass Node<T> {
public T data;
public Node(T data) { this.data = data; }
publicvoid setData(T data) {
System.out.println("Node.setData");
this.data = data;
}
}
publicclass MyNode extends Node<Integer> {
public MyNode(Integer data) { super(data); }
publicvoid setData(Integerdata) {
System.out.println("MyNode.setData");
super.setData(data);
}
}
看完上面的分析之後，你可能會認為在類型擦除後，編譯器會將Node和MyNode變成下面這樣：
publicclass Node {
public Object data;
public Node(Object data) { this.data = data; }
publicvoid setData(Objectdata) {
System.out.println("Node.setData");
this.data = data;
}
}
publicclass MyNode extends Node {
public MyNode(Integer data) { super(data); }
publicvoid setData(Integerdata) {
System.out.println("MyNode.setData");
super.setData(data);
}
}
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