Java的泛型解析

96
SeanMa
2017.07.19 13:54* 字数 3106

一、为什么要使用泛型

1.类型参数的好处

  • 类型安全:泛型的主要目标是提高 Java 程序的类型安全。通过知道使用泛型定义的变量的类型限制,编译器可以在一个高得多的程度上验证类型假设。没有泛型,这些假设就只存在于程序员的头脑中(或者如果幸运的话,还存在于代码注释中)。

  • 消除强制类型转换:泛型的一个附带好处是,消除源代码中的许多强制类型转换。这使得代码更加可读,并且减少了出错机会。

Java语言引入泛型的好处是安全简单。泛型的好处是在编译的时候检查类型安全,并且所有的强制转换都是自动和隐式的,提高代码的重用率。


二、定义简单的泛型类

泛型类的定义比较简单,如下便可以定义一个泛型类,在实例化泛型类的时候必须指明泛型的具体类型。

public class Pair<T>{
    private T first;
    private T second;

    public Pair(){
        first = null;second = null;
    }

    public T getFirst(){
        return first;
    }

    public T getSecond(){
        return second;
    }

    public void setFirst(T newValue){
        first = newValue;
    }
    public void setSecond(T newValue){
        second = newValue;
    }
}

泛型在使用中还有一些规则和限制:

  • 泛型的类型参数只能是类类型(包括自定义类),不能是简单类型。
  • 同一种泛型可以对应多个版本(因为参数类型是不确定的),不同版本的泛型类实例是不兼容的。
  • 泛型的类型参数可以有多个。
  • 泛型的参数类型可以使用extends语句,例如<T extends superclass>。习惯上成为“有界类型”。
  • 泛型的参数类型还可以是通配符类型。例如Class<?> classType = Class.forName(Java.lang.String);

泛型类可以定义多个类型变量,例如

public class Pari<T,U>{
    ...
}

三、泛型方法

Java中的泛型方法相对复杂一点,在调用的时候需要指明泛型类型

定义泛型的语法:


image

调用泛型的语法:


image

定义泛型方法时,必须在返回值前边加一个<T>,来声明这是一个泛型方法,持有一个泛型T,然后才可以用泛型T作为方法的返回值。注意:类型变量放在修饰符的后面,返回类型的前面。

既然是泛型方法,就代表着我们不知道具体的类型是什么,也不知道构造方法如何,因此没有办法去new一个对象,但可以利用变量c的newInstance方法去创建对象,也就是利用反射创建对象。

泛型方法要求的参数是Class<T>类型,而Class.forName()方法的返回值也是Class<T>,因此可以用Class.forName()作为参数。其中,forName()方法中的参数是何种类型,返回的Class<T>就是何种类型。在本例中,forName()方法中传入的是User类的完整路径,因此返回的是Class<User>类型的对象,因此调用泛型方法时,变量c的类型就是Class<User>,因此泛型方法中的泛型T就被指明为User,因此变量obj的类型为User。


四、类型变量的限定

我们都知道在方法前指定了<T>,那么就是说这个泛型类型和类定义时的泛型类型无关,所以可以在普通类中定义泛型方法,泛型可以限定类型变量必须实现某几种接口或者继承某个雷,多个限定类型通过&分隔,如:

public static <T extends Comparable> T min(T[] a)...

对泛型进行限制,使其只有集成或实现Comparable的类才能使用该方法

(1) ? extends X:表示类型的上界

特点:

  • 限定 ? 为 X 的子类型,但不知道是哪个子类型
  • 可以安全的访问数据,访问X及其子类型
<T extends BoundingType>

T表示绑定类型的子类型,T和绑定类型可以是类或者接口。

一个变量或者通配符可以绑定多个限定,用“&”分开

T extends Comparable & Serializable

若T的限定类型是类,则有且最多只有一个,且放于接口前面


五、泛型代码和虚拟机

Java虚拟机是不存在泛型类型对象的,所有的对象都属于普通类,甚至在泛型实现的早起版本中,可以将使用泛型的程序编译为在1.0虚拟机上能够运行的class文件,这个向后兼容性后期被抛弃了,所以后来如果用Sun公司的编译器编译的泛型代码,是不能运行在Java5.0之前的虚拟机的,这样就导致了一些实际生产的问题,如一些遗留代码如何跟新的系统进行衔接,要弄明白这个问题,需要先了解一下虚拟机是怎么执行泛型代码的。

1.类型擦除

类型擦除指的是通过类型参数合并,将泛型类型实例关联到同一份字节码上。编译器只为泛型类型生成一份字节码,并将其实例关联到这份字节码上。类型擦除的关键在于从泛型类型中清除类型参数的相关信息,并且再必要的时候添加类型检查和类型转换的方法。

虚拟机的一种机制:擦除类型参数,并将其替换成限定类型,没有限定类型用Object代替

public class Period<T extends Comparable<T> & Serializable> {  
      private T begin;  
      private T end;  

      public Period(T one, T two) {  
               if (one.compareTo(two) > 0) {begin = two;end = one;  
              } else {begin = one;end = two;}  
     }  
}
//擦除后
public class Period implements Serializable{  
      private Comparable begin;  
      private Comparable end;  

      public Period(Comparable one, Comparable two) {  
               if (one.compareTo(two) > 0) {begin = two; end = one;  
              } else {begin = one; end = two;}  
     }  
}

Java泛型的处理几乎都在编译器中进行,编译器生成的字节码是不包涵泛型信息的,泛型类型信息将在编译处理是被擦除,这个过程即类型擦除。通常情况下,Java是通过以下方式处理泛型:Java编译器通过Code sharing方式为每个泛型类型创建唯一的字节码表示,并且将该泛型类型的实例都映射到这个唯一的字节码表示上。将多种泛型类形实例映射到唯一的字节码表示是通过类型擦除(type erasue)实现的。

Code sharing:对每个泛型类只生成唯一的一份目标代码;该泛型类的所有实例都映射到这份目标代码上,在需要的时候执行类型检查和类型转换。

注意:
当存在情况:class Interval<T extends Serializable & Comparable> ,原始类型用Serializable替换T,在有必要的时候向Comparable强制类型转换,为了提高效率,应该将没有方法的接口放在列表的后面。

类型擦除带来的灵异问题:

  • 无法用同一泛型类型的实例区分方法签名
    public class Erasure{  

            public void test(List<String> ls){  
                System.out.println("Sting");  
            }  
            public void test(List<Integer> li){  
                System.out.println("Integer");  
            }  
    }

image
  • 不能同时catch同一泛型异常类的多个实例
  • 泛型类的静态变量是可以共享的
import java.util.*;  

public class StaticTest{  
    public static void main(String[] args){  
        GT<Integer> gti = new GT<Integer>();  
        gti.var=1;  
        GT<String> gts = new GT<String>();  
        gts.var=2;  
        System.out.println(gti.var);  
    }  
}  
class GT<T>{  
    public static int var=0;  
    public void nothing(T x){}  
}

//输出2

2.翻译泛型表达式

Couple<Employee> couple = ...;  
Employee wife = couple.getWife();

擦除后,getWife()返回的是Object类型,然后虚拟机会插入强制类型转换,将Object转换为Employee,所以虚拟机实际上执行了两天指令:

  • 1.调用Couple.getWife()方法。
  • 2.将Object转换成Employee类型。

3.翻译泛型方法

public static <T extends Comparable<T>> max(T[] arrays) {... }  
擦除后成了:  
public static Comoparable max(Comparable[] arrays) {... }
public class Period <T extends Comparable<T> & Serializable> {  
      private T begin;  
      private T end;  

      public Period(T one, T two) {  
               if (one.compareTo(two) > 0) {begin = two;end = one;  
              } else {begin = one;end = two;}  
     }  
     public void setBegin(T begin) {this. begin = begin;}  
     public void setEnd(T end) {this. end = end;}  
     public T getBegin() {return begin;}  
     public T getEnd() {return end;}  
}  
public class DateInterval extends Period<Date> {  

      public DateInterval(Date one, Date two) {  
               super(one, two);  
     }  
      public void setBegin(Date begin) {  
               super.setBegin(begin);  
     }  
}

DateInterval类型擦除后,Period中的方法变成:

  • public void setBegin(Object begin) {...}

而DateInterval中的方法还是:

  • public void setBegin(Date begin) {...}

所以DateInterval从Period中继承了 public void setBegin(Object begin) {...}而自身又存在public void setBegin(Date begin) {...}方法,用户使用时问题发生了:

Period<Date> period  = new DateInterval(...);  
period.setBegin(new Date());

这里因为period引用指向了DateInterval实例,根据多态性,setBegin应该调用DateInterval对象的setBegin方法,可是这个擦除让Period中的 public void setBegin(Object begin) {...}被调用,导致了擦除与多态发生了冲突,怎么办呢?虚拟机此时会在DateInterval类中生成一个桥方法(bridge method),调用过程发生了细微的变化:

public void setBegin(Object begin) {  
     setBegin((Date)begin);  
 }

有了这个合成的桥方法以后,code07中对setBegin的调用步骤如下:

1.调用DateInterval.setBegin(Object)方法。
2.DateInterval.setBegin(Object)方法调用DateInterval.setBegin(Date)方法。

发现了吗,当我们在DateInterval中增加了getBegin方法之后会是什么样子的呢?是不是Peroid中有一个Object getBegin()的方法,而DateInterval中有一个Date getBegin()方法呢,这两个方法在Java中是不能同时存在的,可是Java5以后增加了一个协变类型,使得这里是被允许的,看看DateInterval中getBegin方法就知道了:

@Override  
public Date getBegin(){ return super.getBegin(); }

这里用了@Override,说明是覆盖了父类的Object getBegin()方法,而返回值可以指定为父类中的返回值类型的子类,这就是协变类型,这是Java5以后才可以允许的,允许子类覆盖了方法后指定一个更严格的类型(子类型)。

总结:

  • 1.记住一点,虚拟机中没有泛型,只有普通的类。
  • 2.所有泛型的类型参数都用它们限定的类型代替,没有限定则用Object。
  • 3.为了保持类型安全性,虚拟机在有必要时插入强制类型转换。
  • 4.桥方法的合成用来保持多态性。
  • 5.协变类型允许子类覆盖方法后返回一个更严格的类型。

六、约束和局限性

1.不能使用基本类型实例化泛型

不能使用基本类型作为类型参数,因为擦除之后,可能会是Object类型,Object类型是无法存储基本类型的

2.运行时类型检查只适用于原始类型

  • 使用getClass会返回一个原始类型,比如Object;
  • 使用instanceof和强制转换都会出现错误和警告。
if(a instanceof Pari<String>) //Error
Pair<String> p = (Pair<String>) a;//Error

Pair<Employee> employee = ...
Pair<String> stringPari = ...
if(employee.getClasss()==stringPari.getClass())//返回true

3.不能创建参数化类型数组

不能实例化参数化类型数组,可以声明变量:Pari<String>[] table,只是不能new,这样做是为了保证数组的安全,因为在类型擦除的时候会变为Object,防止数组可以add任何元素进去。

Pair<String>[] table = new Pair<String>[10];//Error

4.不能实例化类型变量

类型擦除会将T修改为Object,而new Object()是不被允许的,可以通过反射来实例化一个泛型对象。

public Pair(){
    first = new T();
    second = new T();
}

5.不能构造泛型数组

因为类型擦除,不允许实例化一个泛型数组,防止add的时候出现ArrayStoreException。

public static <T extends Comparable >T[] minmax(T[] a){ //Error
    T[] mm = new T[2];
    ...
}

如果想实例化泛型数组,可以通过以下方法来解决:

  • 通过反射来解决
public static <T extends Comparable> T[] minmax(T ... t){
    T[] mm = (T[]) Array.newInstance(a.getClass().getComponentType(),2);
}

七、通配符类型

通配符类型中,允许参数类型变化,前面的 ? extends X,可以让编译器知道只需要某个X的子类型,拒绝传递其他特定类型。

1.通配符超类型限定

表示类型的下界,格式是:? super X。

特点:

1、限定为X和X的超类型,直至Object类,因为不知道具体是哪个超类型,因此方法返回的类型只能赋给Object。

2、因为可以向上转型,所以作为方法的参数时,可以传递X以及X的超类型。

3、作为方法的参数时,可以传递null。

作用:主要用来安全地写入数据,可以写入X及其超类型。

/** 
 * ICE 
 * 2016/10/17 0017 14:12 
 */  
public class Demo {  
    public static void main(String[] args) {  
        A a = new A();  
        B b = new B();  
        C c = new C();  

        D<? super A> d = new D<>();  
        Object o = d.get();  

        d.set(a);  
        d.set(b);  
        d.set(c);  
        d.set(null);  
    }  
}  

class A {  
    @Override  
    public String toString() {  
        return "A{}";  
    }  
}  

class B extends A {  
    @Override  
    public String toString() {  
        return "B{}";  
    }  
}  

class C extends A {  
    @Override  
    public String toString() {  
        return "C{}";  
    }  
}  

class D<T> {  
    public void set(T t) {  
    }  

    public T get() {  
        return null;  
    }  
}

2.无限制

无限定不等于可以传任何值,相反,作为方法的参数时,只能传递null,作为方法的返回时,只能赋给Object。

public class Demo {  
    public static void main(String[] args) {  
        D<?> d = new D<>();  
        Object o = d.get();  
        d.set(null);  
    }  
}  

class A {  
    @Override  
    public String toString() {  
        return "A{}";  
    }  
}  

class B extends A {  
    @Override  
    public String toString() {  
        return "B{}";  
    }  
}  

class C extends A {  
    @Override  
    public String toString() {  
        return "C{}";  
    }  
}  

class D<T> {  
    public void set(T t) {  
    }  

    public T get() {  
        return null;  
    }  
}

有什么作用呢?对于一些简单的操作比如不需要实际类型的方法,就显得比泛型方法简洁,可以这样说:如果是“读”操作 则需要限定 上边界,如果是写操作则需要限定下边界;而无限定通配符表示只读,不能进行增加、修改。

Java