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Java 泛型总结(一):基本用法与类型擦除

简介

Java 在 1.5 引入了泛型机制,泛型本质是参数化类型,也就是说变量的类型是一个参数,在使用时再指定为具体类型。泛型可以用于类、接口、方法,通过使用泛型可以使代码更简单、安全。然而 Java 中的泛型使用了类型擦除,所以只是伪泛型。这篇文章对泛型的使用以及存在的问题做个总结,主要参考自 《Java 编程思想》。

基本用法

泛型类

如果有一个类 Holder 用于包装一个变量,这个变量的类型可能是任意的,怎么编写 Holder 呢?在没有泛型之前可以这样:

public class Holder1 {     private Object a;      public Holder1(Object a) {         this.a = a;     }      public void set(Object a) {         this.a = a;     }     public Object get(){         return a;     }      public static void main(String[] args) {         Holder1 holder1 = new Holder1("not Generic");         String s = (String) holder1.get();         holder1.set(1);         Integer x = (Integer) holder1.get();     }

}

Holder1 中,有一个用 Object 引用的变量。因为任何类型都可以向上转型为 Object ,所以这个 Holder 可以接受任何类型。在取出的时候 Holder 只知道它保存的是一个 Object 对象,所以要强制转换为对应的类型。在 main 方法中, holder1 先是保存了一个字符串,也就是 String 对象,接着又变为保存一个 Integer 对象(参数 1 会自动装箱)。从 Holder 中取出变量时强制转换已经比较麻烦,这里还要记住不同的类型,要是转错了就会出现运行时异常。

下面看看 Holder 的泛型版本:

public class Holder2<T> {      private T a;     public Holder2(T a) {         this.a = a;     }      public T get() {         return a;     }      public void set(T a) {         this.a = a;     }      public static void main(String[] args) {         Holder2<String> holder2 = new Holder2<>("Generic");         String s = holder2.get();          holder2.set("test");         holder2.set(1);//无法编译   参数 1 不是 String 类型      }

}

Holder2 中, 变量 a 是一个参数化类型 TT 只是一个标识,用其它字母也是可以的。创建 Holder2 对象的时候,在尖括号中传入了参数 T 的类型,那么在这个对象中,所有出现 T 的地方相当于都用 String 替换了。现在的 get 的取出来的不是 Object ,而是 String 对象,因此不需要类型转换。另外,当调用 set 时,只能传入 String 类型,否则编译无法通过。这就保证了 holder2 中的类型安全,避免由于不小心传入错误的类型。

通过上面的例子可以看出泛使得代码更简便、安全。引入泛型之后,Java 库的一些类,比如常用的容器类也被改写为支持泛型,我们使用的时候都会传入参数类型,如: ArrayList<Integer> list = ArrayList<>();

泛型方法

泛型不仅可以针对类,还可以单独使某个方法是泛型的,举个例子:

public class GenericMethod {     public <K,V> void f(K k,V v) {         System.out.println(k.getClass().getSimpleName());         System.out.println(v.getClass().getSimpleName());     }      public static void main(String[] args) {         GenericMethod gm = new GenericMethod();         gm.f(new Integer(0),new String("generic"));     } }  代码输出:     Integer     String 

GenericMethod 类本身不是泛型的,创建它的对象的时候不需要传入泛型参数,但是它的方法 f 是泛型方法。在返回类型之前是它的参数标识 <K,V> ,注意这里有两个泛型参数,所以泛型参数可以有多个。

调用泛型方法时可以不显式传入泛型参数,上面的调用就没有。这是因为编译器会使用参数类型推断,根据传入的实参的类型 (这里是 integerString ) 推断出 KV 的类型。

类型擦除

什么是类型擦除

Java 的泛型使用了类型擦除机制,这个引来了很大的争议,以至于 Java 的泛型功能受到限制,只能说是”伪泛型“。什么叫类型擦除呢?简单的说就是,类型参数只存在于编译期,在运行时,Java 的虚拟机 ( JVM ) 并不知道泛型的存在。先看个例子:

public class ErasedTypeEquivalence {     public static void main(String[] args) {         Class c1 = new ArrayList<String>().getClass();         Class c2 = new ArrayList<Integer>().getClass();         System.out.println(c1 == c2);     } }

上面的代码有两个不同的 ArrayListArrayList<Integer>ArrayList<String> 。在我们看来它们的参数化类型不同,一个保存整性,一个保存字符串。但是通过比较它们的 Class 对象,上面的代码输出是 true 。这说明在 JVM 看来它们是同一个类。而在 C++、C# 这些支持真泛型的语言中,它们就是不同的类。

泛型参数会擦除到它的第一个边界,比如说上面的 Holder2 类,参数类型是一个单独的 T ,那么就擦除到 Object ,相当于所有出现 T 的地方都用 Object 替换。所以在 JVM 看来,保存的变量 a 还是 Object 类型。之所以取出来自动就是我们传入的参数类型,这是因为编译器在编译生成的字节码文件中插入了类型转换的代码,不需要我们手动转型了。如果参数类型有边界那么就擦除到它的第一个边界,这个下一节再说。

擦除带来的问题

擦除会出现一些问题,下面是一个例子:

class HasF {     public void f() {         System.out.println("HasF.f()");     } } public class Manipulator<T> {     private T obj;      public Manipulator(T obj) {         this.obj = obj;     }      public void manipulate() {         obj.f(); //无法编译 找不到符号 f()     }      public static void main(String[] args) {         HasF hasF  = new HasF();         Manipulator<HasF> manipulator = new Manipulator<>(hasF);         manipulator.manipulate();      }

}

上面的 Manipulator 是一个泛型类,内部用一个泛型化的变量 obj ,在 manipulate 方法中,调用了 obj 的方法 f() ,但是这行代码无法编译。因为类型擦除,编译器不确定 obj 是否有 f() 方法。解决这个问题的方法是给 T 一个边界:

class Manipulator2<T extends HasF> {     private T obj;     public Manipulator2(T x) { obj = x; }     public void manipulate() { obj.f(); } }

现在 T 的类型是 <T extends HasF> ,这表示 T 必须是 HasF 或者 HasF 的导出类型。这样,调用 f() 方法才安全。 HasF 就是 T 的边界,因此通过类型擦除后,所有出现 T

地方都用 HasF 替换。这样编译器就知道 obj 是有方法 f() 的。

但是这样就抵消了泛型带来的好处,上面的类完全可以改成这样:

class Manipulator3 {     private HasF obj;     public Manipulator3(HasF x) { obj = x; }     public void manipulate() { obj.f(); } } 

所以泛型只有在比较复杂的类中才体现出作用。但是像 <T extends HasF> 这种形式的东西不是完全没有意义的。如果类中有一个返回 T 类型的方法,泛型就有用了,因为这样会返回准确类型。比如下面的例子:

class ReturnGenericType<T extends HasF> {     private T obj;     public ReturnGenericType(T x) { obj = x; }     public T get() { return obj; } }

这里的 get() 方法返回的是泛型参数的准确类型,而不是 HasF

类型擦除的补偿

类型擦除导致泛型丧失了一些功能,任何在运行期需要知道确切类型的代码都无法工作。比如下面的例子:

 public class Erased<T> {     private final int SIZE = 100;     public static void f(Object arg) {     if(arg instanceof T) {} // Error     T var = new T(); // Error     T[] array = new T[SIZE]; // Error     T[] array = (T)new Object[SIZE]; // Unchecked warning     } }

通过 new T() 创建对象是不行的,一是由于类型擦除,二是由于编译器不知道 T 是否有默认的构造器。一种解决的办法是传递一个工厂对象并且通过它创建新的实例。

interface FactoryI<T> {     T create(); } class Foo2<T> {     private T x;     public <F extends FactoryI<T>> Foo2(F factory) {     x = factory.create();     }     // ... } class IntegerFactory implements FactoryI<Integer> {     public Integer create() {     return new Integer(0);     } } class Widget {     public static class Factory implements FactoryI<Widget> {         public Widget create() {             return new Widget();         }     } } public class FactoryConstraint {     public static void main(String[] args) {         new Foo2<Integer>(new IntegerFactory());         new Foo2<Widget>(new Widget.Factory());     } } 

另一种解决的方法是利用模板设计模式:

abstract class GenericWithCreate<T> {     final T element;     GenericWithCreate() { element = create(); }     abstract T create(); } class X {} class Creator extends GenericWithCreate<X> {     X create() { return new X(); }     void f() {     System.out.println(element.getClass().getSimpleName());     } } public class CreatorGeneric {     public static void main(String[] args) {         Creator c = new Creator();         c.f();     } } 

具体类型的创建放到了子类继承父类时,在 create 方法中创建实际的类型并返回。

总结

本文介绍了 Java 泛型的使用,以及类型擦除相关的问题。一般情况下泛型的使用比较简单,但是某些情况下,尤其是自己编写使用泛型的类或者方法时要注意类型擦除的问题。接下来会介绍数组与泛型的关系以及通配符的使用。

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