「Java 路线」| 泛型（含Kotlin）

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前言

  • 泛型（Generic Type）无论在哪一门语言里，都是最难语法的存在，细节之繁杂、理解之困难，令人切齿；
  • 在这个系列里，我将总结Java & Kotlin中泛型的知识点，带你从语法 & 原理全面理解泛型。追求简单易懂又不失深度，如果能帮上忙，请务必点赞加关注！
  • 首先，尝试回答这些面试中容易出现的问题：
1、下列代码中，编译出错的是：
public class MyClass<T> {
    private T t0; // 0
    private static T t1; // 1 
    private T func0(T t) { return t; } // 2
    private static T func1(T t) { return t; } // 3
    private static <T> T func2(T t) { return t; } // 4
}
2、泛型的存在是用来解决什么问题？
3、请说明泛型的原理，什么是泛型擦除机制，具体是怎样实现的？

相关文章

目录

1. 泛型基础

  • 问：什么是泛型，有什么作用？

答：在定义类、接口和方法时，可以附带类型参数，使其变成泛型类、泛型接口和泛型方法。与非泛型代码相比，使用泛型有三大优点：更健壮（在编译时进行更强的类型检查）、更简洁（消除强转，编译后自动会增加强转）、更通用（代码可适用于多种类型）

  • 问：什么是类型擦除机制？

答：泛型本质上是 Javac 编译器的一颗 语法糖，这是因为：泛型是 JDK1.5 中引进的新特性，为了 向下兼容，Java 虚拟机和 Class 文件并没有提供泛型的支持，而是让编译器擦除 Code 属性中所有的泛型信息，需要注意的是，泛型信息会保留在类常量池的属性中。

  • 问：类型擦除的具体步骤？

答：类型擦除发生在编译时，具体分为以下 3 个步骤：

  • 1：擦除所有类型参数信息，如果类型参数是有界的，则将每个参数替换为其第一个边界；如果类型参数是无界的，则将其替换为 Object
  • 2：（必要时）插入类型转换，以保持类型安全
  • 3：（必要时）生成桥接方法以在子类中保留多态性

举个例子：

源码：
public class Parent<T> {
    public void func(T t){
    }
}

public class Child<T extends Number> extends Parent<T> {
    public T get() {
        return null;
    }
    public void func(T t){
    }
}

void test(){
    Child<Integer> child = new Child<>();
    Integer i = child.get();
}
---------------------------------------------------------
字节码：
public class Parent {
    public void func(Object t){
    }
}

public class Child extends Parent {
    public Number get() {
        return null;
    }
    public void func(Number t) {
    }
    
    桥方法 - synthetic
    public void func(Object t){
        func((Number)t);
    }
}

void test() {
    Child<Integer> child = new Child();
    // 插入强制类型转换
    Integer i = (Integer) child.get();
}

步骤1：Parent 中的类型参数 T 被擦除为 Object，而 Child 中的类型参数 T 被擦除为 Number；

步骤2：child.get(); 插入了强制类型转换

步骤3：在 Child 中生成桥方法，桥方法是编译器生成的，所以会带有 synthetic 标志位。为什么子类中需要增加桥方法呢，可以先思考这个问题：假如没有桥方法，会怎么样？你可以看看下列代码调用的是子类还是父类方法：

Parent<Integer> child = new Child<>();
Parent<Integer> parent = new Parent<>();
        
child.func(new Object()); // Parent#func(Object); 
parent.func(new Object()); // Parent#func(Object);

这两句代码都会调用到 Parent#func()，如果你看过之前我写过的一篇文章，相信难不到你：《Java | 深入理解方法调用的本质（含重载与重写区别）》。在这里我简单分析下：

1、方法调用的本质是根据方法的符号引用确定方法的直接引用（入口地址）

2、这两句代码调用的方法符号引用为：

child.func(1) => com/xurui/Child.func(Object)
parent.func(1) => com/xurui/Parent.func(Object)

3、这两句方法调用的字节码指令为 invokevirtual

4、类加载解析阶段解析类的继承关系，生成类的虚方法表

5、调用阶段（动态分派）：Child 没有重写 func(Object)，所以 Child 的虚方法表中存储的是Parent#func(Object)；Parent 的虚方法表中存储的是Parent#func(Object);

可以看到，即使使用对象的实际类型为 Child ，这里调用的依旧是父类的方法。这样就失去了多态性。因此，才需要在泛型子类中添加桥方法。

  • 问：为什么擦除后，反编译还是看到类型参数 T ？
反编译Parent.class，可以看到 T ，不是已经擦除了吗？

public class Parent<T> {
    public Parent() {
    }

    public void func(T t) {
    }
}

答：泛型中所谓的类型擦除，其实只是擦除Code 属性中的泛型信息，在类常量池属性（Signature属性、LocalVariableTypeTable属性）中其实还保留着泛型信息，这也是在运行时可以反射获取泛型信息的根本依据，我在第 4 节说。

  • 问：泛型的限制 & 类型擦除会带来什么影响？

由于类型擦除的影响，在运行期是不清楚类型实参的实际类型的。为了避免程序的运行结果与程序员语义不一致的情况，泛型在使用上存在一些限制。好处是类型擦除不会为每种参数化类型创建新的类，因此泛型不会增大内存消耗。

泛型的限制

2. Kotlin的实化类型参数

前面我们提到，由于类型擦除的影响，在运行期是不清楚类型实参的实际类型的。例如下面的代码是不合法的，因为T并不是一个真正的类型，而仅仅是一个符号：

在这个函数里，我们传入一个List，企图从中过滤出 T 类型的元素：

Java：
<T> List<T> filter(List list) {
    List<T> result = new ArrayList<>();
    for (Object e : list) {
        if (e instanceof T) { // compiler error
            result.add(e);
        }
    }
    return result;
}
---------------------------------------------------
Kotlin：
fun <T> filter(list: List<*>): List<T> {
    val result = ArrayList<T>()
    for (e in list) {
        if (e is T) { // cannot check for instance of erased type: T
            result.add(e)
        }
    }
    return result
}

在Kotlin中，有一种方法可以突破这种限制，即：带实化类型参数的内联函数：

Kotlin：
inline fun <reified T> filter(list: List<*>): List<T> {
    val result = ArrayList<T>()
    for (e in list) {
        if (e is T) {
            result.add(e)
        }
    }
    return result
}

关键在于inline和reified，这两者的语义是：

  • inline（内联函数）：Kotlin编译器将内联函数的字节码插入到每一次调用方法的地方
  • reified（实化类型参数）：在插入的字节码中，使用类型实参的确切类型代替类型实参

规则很好理解，对吧。很明显，当发生方法内联时，方法体字节码就变成了：

调用：
val list = listOf("", 1, false)
val strList = filter<String>(list)
---------------------------------------------------
内联后：
val result = ArrayList<String>()
for (e in list) {
    if (e is String) {
        result.add(e)
    }
}

需要注意的是，内联函数整个方法体字节码会被插入到调用位置，因此控制内联函数体的大小。如果函数体过大，应该将不依赖于T的代码抽取到单独的非内联函数中。

注意，无法从 Java 代码里调用带实化类型参数的内联函数

实化类型参数的另一个妙用是代替 Class 对象引用，例如：

fun Context.startActivity(clazz: Class<*>) {
    Intent(this, clazz).apply {
        startActivity(this)
    }
}

inline fun <reified T> Context.startActivity() {
    Intent(this, T::class.java).apply {
        startActivity(this)
    }
}

调用方：
context.startActivity(MainActivity::class.java)
context.startActivity<MainActivity>() // 第二种方式会简化一些

3. 变型：协变 & 逆变 & 不变

变型（Variant）描述的是相同原始类型的不同参数化类型之间的关系。说起来有点绕，其实就是说：Integer是Number的子类型，问你List<Integer>是不是List<Number>的子类型？

变型的种类具体分为三种：协变型 & 逆变型 & 不变型

  • 协变型（covariant）：子类型关系被保留
  • 逆变型（contravariant）：子类型关系被翻转
  • 不变型（invariant）：子类型关系被消除

在 Java 中，类型参数默认是不变型的，例如：

List<Number> l1;
List<Integer> l2 = new ArrayList<>();
l1 = l2; // compiler error

相比之下，数组是支持协变型的：

Number[] nums;
Integer[] ints = new Integer[10]; 
nums = ints; // OK 协变，子类型关系被保留

那么，当我们需要将List<Integer>类型的对象，赋值给List<Number>类型的引用时，应该怎么做呢？这个时候我们需要限定通配符：

  • <? extends> 上界通配符

要想类型参数支持协变，需要使用上界通配符，例如：

List<? extends Number> l1;
List<Integer> l2 = new ArrayList<>();
l1 = l2; // OK

但是这会引入一个编译时限制：不能调用参数包含类型参数 E 的方法，也不能设置类型参数的字段，简单来说，就是只能访问不能修改（非严格）：

// ArrayList.java
public boolean add(E e) {
    ...
}

l1.add(1); // compiler error
  • <? super> 下界通配符

要想类型参数支持逆变，需要使用下界通配符，例如：

List<? super Integer> l1;
List<Number> l2 = new ArrayList<>();
l1 = l2; // OK

同样，这也会引入一个编译时限制，但是与协变相反：不能调用返回值为类型参数的方法，也不能访问类型参数的字段，简单来说，就是只能修改不能访问（非严格）：

// ArrayList.java
public E get(int index) {
    ...
}

Integer i = l1.get(0); // compiler error
  • <?> 无界通配符

<?>其实很简单，很多资料其实都解释得过于复杂了。<?> 其实就是 <? extends Object>的缩写，就是这样，没了，例如：

List<?> l1;
List<Integer> l2 = new ArrayList<>();
l1 = l2; // OK

理解了这点，这个问题就很好回答了：

  • 问：List 与 List<?>有什么区别？

答：List 是原生类型，可以添加或访问元素，不具备编译期安全性，而 List<?> 其实是 List<? extends Object>的缩写，是协变型的（可引出协变型的特点与限制）；从语义上，List<?> 表明使用者清楚变量是类型安全的，而不是因为疏忽而使用了原生类型 List。

泛型代码的设计，应遵循PECS原则（Producer extends Consumer super）：

  • 如果只需要获取元素，使用 <? extends T>
  • 如果只需要存储，使用<? super T>

举例：

// Collections.java
public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
}

在 Kotlin 中，变型写法会有些不同，但是语义是完全一样的：

协变：
val l0: MutableList<*> 相当于MutableList<out Any?>
val l1: MutableList<out Number>
val l2 = ArrayList<Int>()
l0 = l2 // OK
l1 = l2 // OK
---------------------------------------------------
逆变：
val l1: MutableList<in Int>
val l2 = ArrayList<Number>()
l1 = l2 // OK

另外，Kotlin 的in & out不仅仅可以用在类型实参上，还可以用在泛型类型声明的类型参数上。其实这是一种简便写法，表示类设计者知道类型参数在整个类上只能协变或逆变，避免在每个使用的地方增加，例如 Kotlin 的List被设计为不可修改的协变型：

public interface List<out E> : Collection<E> {
    ...
}

注意：在 Java 中，只支持使用点变型，不支持 Kotlin 类似的声明点变型

小结一下：

4. 使用反射获取泛型信息

前面提到了，编译期会进行类型擦除，Code 属性中的类型信息会被擦除，但是在类常量池属性（Signature属性、LocalVariableTypeTable属性）中还保留着泛型信息，因此我们可以通过反射来获取这部分信息。

获取泛型类型实参：需要利用Type体系

4.1 获取泛型类 & 泛型接口声明

TypeVariable
ParameterizedType
GenericArrayType
WildcardType

Gson TypeToken

Editting....

5. 总结

  • 应试建议
    • 1、第 1 节非常非常重点，着重记忆：泛型的本质和设计缘由、泛型擦除的三个步骤、限制和优点，已经总结得很精华了，希望能帮到你；
    • 2、着重理解变型（Variant）的概念，以及各种限定符的含义；
    • 3、Kotlin 相关的部分，作为知识积累和思路扩展为主，非应试重点。

参考资料

  • 《Kotlin实战》 （第9、10章）—— [俄] Dmitry Jemerov，Svetlana Isakova 著
  • 《Java编程思想》 （第19、20、23章）—— [美] Bruce Eckel 著
  • 《深入理解Java虚拟机（第3版本）》（第10章）—— 周志明 著

创作不易，你的「三连」是丑丑最大的动力，我们下次见！

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