Java 泛型详解

本文部分摘自 On Java 8

概述

在 Java5 以前，普通的类和方法只能使用特定的类型：基本数据类型或类类型，如果编写的代码需要应用于多种类型，这种严苛的限制对代码的束缚就会很大

Java5 的一个重大变化就是引入泛型，泛型实现了参数化类型，使得你编写的组件（通常是集合）可以适用于多种类型。泛型的初衷是通过解耦类或方法与所使用的类型之间的约束，使得类或方法具备最宽泛的表达力。然而很快你就会发现，Java 中的泛型并没有你想的那么完美，甚至存在一些令人迷惑的实现

泛型类

促成泛型出现的最主要动机之一就是为了创建集合类，集合用于存放要使用到的对象。现有一个只能持有单个对象的类：

class Automobile {}

public class Holder1 {
    private Automobile a;
    public Holder1(Automobile a) { this.a = a; }
    Automobile get() { return a; }
}

如果没有泛型，那么就必须明确指定其持有的对象的类型，会导致该复用性不高，它无法持有其他类型的对象，我们当然不希望为每个类型都编写一个新类

在 Java5 以前，为了解决这个问题，我们可以让这个类直接持有 Object 类型的对象，这样就可以持有多种不同类型的对象了。但通常而言，我们只会用集合存储同一类型的对象。泛型的主要目的之一就是用来约定集合要存储什么类型的对象，并且通过编译器确保规约得以满足

所以，与其使用 Object，我们更希望先指定一个类型占位符，稍后再决定具体使用什么类型。由此我们需要使用类型参数，用尖括号括住，放在类名后面。然后在使用这个类时，再用实际的类型替换此类型参数

public class GenericHolder<T> {
    private T a;
    public GenericHolder() {}
    public void set(T a) { this.a = a; }
    public T get() { return a; }

    public static void main(String[] args) {
        // 在 Java7 中右边的尖括号可以为空
        GenericHolder<Automobile> h2 = new GenericHolder<Automobile>();
        GenericHolder<Automobile> h3 = new GenericHolder<>();
        h3.set(new Automobile()); // 此处有类型校验
        Automobile a = h3.get();  // 无需类型转换
        //- h3.set("Not an Automobile"); // 报错
    }
}

元组类库

有时一个方法需要能返回多个对象，而 return语句只能返回单个对象，解决的方法就是创建一个对象，用它来打包想要返回的多个对象。元组的概念正是基于此，元组将一组对象直接打包存储于单一对象中，可以从该对象读取其中元素，却不允许向其中存储新对象（这个概念也称数据传输对象或信使）

元组可以具有任意长度，元组中的对象可以是不同类型的，我们希望能为每个对象指明类型，这时泛型就派上用场了。例如下面是一个可以存储两个对象的元组：

public class Tuple<A, B> {
    public final A a1;
    public final B a2;
    public Tuple(A a, B b) { a1 = a; a2 = b; }
    public String rep() { return a1 + ", " + a2; }

    @Override
    public String toString() {
        return "(" + rep() + ")";
    }
}

使用 final 修饰成员变量可以保证其不被修改，如果用户想存储不同的元素，那么就必须创建新的 Tuple 对象。当然也可以允许用户重新对 a1、a2 赋值，但无疑前一种形式会更加安全

利用继承机制可以实现长度更长的元组：

public class Tuple3<A, B, C> extends Tuple2<A, B> {
    public final C a3;
    public Tuple3(A a, B b, C c) {
        super(a, b);
        a3 = c;
    }

    @Override
    public String rep() {
        return super.rep() + ", " + a3;
    }
}

泛型方法

到目前为止，我们已经研究了参数化整个类，其实还可以参数化类中的方法。类本身是否是泛型，与它的方法是否是泛型并没有什么直接关系。我们应该尽可能使用泛型方法，通常将单个方法泛型化要比将整个类泛型化要更加清晰易懂

要定义泛型方法，请将泛型参数列表放置在返回值之前：

public class GenericMethods {
    public <T> void f(T x) {
        System.out.println(x.getClass().getName());
    }

    public static void main(String[] args) {
        GenericMethods gm = new GenericMethods();
        gm.f("");
        gm.f(1);
        gm.f(1.0);
        gm.f(1.0F);
        gm.f('c');
        gm.f(gm);
    }
}

使用泛型方法时，通常不需要指定参数类型，因为编译器会找出这些类型，这称为类型参数推断，因此，对 f() 的调用看起来像普通的方法调用，而且像是被重载了无数次一样

泛型擦除

当你开始深入研究泛型时，你会发现一个残酷的现实：在泛型代码内部，无法获取任何有关泛型参数类型的信息

class Frob {}
class Fnorkle {}
class Quark<Q> {}
class Particle<POSITION, MOMENTUM> {}

public class LostInformation {

    public static void main(String[] args) {
        List<Frob> list = new ArrayList<>();
        Map<Frob, Fnorkle> map = new HashMap<>();
        Quark<Fnorkle> quark = new Quark<>();
        Particle<Long, Double> p = new Particle<>();
        System.out.println(Arrays.toString(list.getClass().getTypeParameters()));
        System.out.println(Arrays.toString(map.getClass().getTypeParameters()));
        System.out.println(Arrays.toString(quark.getClass().getTypeParameters()));
        System.out.println(Arrays.toString(p.getClass().getTypeParameters()));
    }
}

/* Output:
[E]
[K,V]
[Q]
[POSITION,MOMENTUM]
*/

正如上例中输出所示，你只能看到用作参数占位符的标识符，这并非有用的信息。Java 泛型是使用擦除实现的，这意味着当你在使用泛型时，任何具体的类型信息都被擦除了，你唯一知道的就是你在使用一个对象。因此 List<String> 和 List 在运行时实际上是相同的类型，它们都被擦除成原生类型 List

再来看一个例子：

class Manipulator<T> {
    private T obj;

    Manipulator(T x) {
        obj = x;
    }

    // Error: cannot find symbol: method f():
    public void manipulate() {
        obj.f();
    }
}

public class Manipulation {
    public static void main(String[] args) {
        HasF hf = new HasF();
        Manipulator<HasF> manipulator = new Manipulator<>(hf);
        manipulator.manipulate();
    }
}

因为擦除，Java 编译器无法将 manipulate() 方法能调用 obj 的 f() 方法这一需求映射到 HasF 具有 f() 方法这个事实上。为了调用 f()，我们必须协助泛型类，为泛型类给定一个边界，以此告诉编译器只能接受遵循这个边界的类型。这里重用了 extends 关键字。由于有了边界，下面的代码就能通过编译：

public class Manipulator2<T extends HasF> {
    private T obj;

    Manipulator2(T x) {
        obj = x;
    }

    public void manipulate() {
        obj.f();
    }
}

边界 <T extends HasF> 声明 T 必须是 HasF 类型或其子类。如果情况确实如此，就可以安全地在 obj 上调用 f() 方法。泛型类型参数会擦除到它的第一个边界（可能有多个边界，稍后你将看到）。我们还提到了类型参数的擦除。编译器实际上会把类型参数替换为它的擦除，就像上面的示例，T 擦除到了 HasF，就像在类的声明中用 HasF 替换了 T 一样。如果我们愿意，完全可以把上例的 T 替换成 HashF，效果也是一样的，那么泛型的意义又何在呢？

这提出了很重要的一点：泛型只有在类型参数比某个具体类型（以及其子类）更加“泛化”，代码能跨多个类工作时才有用。因此，使用类型参数通常比简单的声明类更加复杂。但是，不能因此认为使用 <T extends HasF> 形式就是有缺陷的。你必须查看所有的代码，从而确定代码是否复杂到必须使用泛型的程度

有关泛型擦除的困惑，其实是 Java 为实现泛型的一种妥协，因为泛型并不是 Java 语言出现时就有的。擦除减少了泛型的泛化性，泛型类型只有在静态类型检测期间才出现，在此之后，程序中的所有泛型类型都将被擦除，替换为它们的非泛型上界。例如， List<T> 这样的类型注解会被擦除为 List，普通的类型变量在未指定边界的情况下会被擦除为 Object

在 Java5 以前编写的类库是没有使用泛型的，而作者可能打算重新用泛型编写，或者根本不打算这样做。Java 设计者们既要保证旧代码和类文件依然合法，还得考虑当某个类库变为泛型时，不会破坏依赖于它的代码和应用。Java 设计者们最终认为泛型是唯一可行的解决方案，擦除使得向泛型的迁移成为可能，为了实现非泛型的代码和泛型代码共存，必须将某个类库使用了泛型这样的“证据”擦除

基于上述观点，当你在编写泛型代码时，必须时刻提醒自己，你只是看起来拥有有关参数的类型信息而言。因为擦除，我们无法在运行时知道确切的类型，为了补偿擦除带来的弊端，我们可以为所需的类型显示传递一个 Class 对象，以在类型表达式中使用它

class Building {
}

class House extends Building {
}

public class ClassTypeCapture<T> {
    Class<T> kind;

    public ClassTypeCapture(Class<T> kind) {
        this.kind = kind;
    }

    public boolean f(Object arg) {
        return kind.isInstance(arg);
    }

    public static void main(String[] args) {
        ClassTypeCapture<Building> ctt1 =
                new ClassTypeCapture<>(Building.class);
        System.out.println(ctt1.f(new Building()));
        System.out.println(ctt1.f(new House()));
        ClassTypeCapture<House> ctt2 =
                new ClassTypeCapture<>(House.class);
        System.out.println(ctt2.f(new Building()));
        System.out.println(ctt2.f(new House()));
    }
}

边界和通配符

由于擦除会删除类型信息，因此唯一可用于无限制泛型参数的方法是那些 Object 可用的方法。边界允许我们对泛型使用的参数类型施以类型，将参数限制为某类型的子集，那么就可以调用该子集中的方法。为了应用约束，Java 泛型使用了 extends 关键字

class Coord {
    public int x, y, z;
}

interface Weight {
    int weight();
}

class Solid<T extends Coord & Weight> {
    T item;

    Solid(T item) {
        this.item = item;
    }

    T getItem() {
        return item;
    }

    int getX() {
        return item.x;
    }

    int getY() {
        return item.y;
    }

    int getZ() {
        return item.z;
    }

    int weight() {
        return item.weight();
    }
}

class Bounded
        extends Coord implements Weight {

    @Override
    public int weight() {
        return 0;
    }
}

public class BasicBounds {
    public static void main(String[] args) {
        Solid<Bounded> solid =
                new Solid<>(new Bounded());
        solid.getY();
        solid.weight();
    }
}

引入通配符可以在泛型实例化时更加灵活地控制，也可以在方法中控制方法的参数，具体语法如下：

• ? extends T：表示 T 或 T 的子类
• ? super T：表示 T 或 T 的父类
• ?：表示可以是任意类型

值得注意的问题

在这里主要阐述在使用 Java 泛型时会出现的各类问题

1. 任何基本数据类型不能作为类型参数

Java 泛型的限制之一是不能将基本类型用作类型参数。因此，不能创建 ArrayList<int> 之类的东西。 解决方法是使用基本类型的包装器类以及自动装箱机制。如果创建一个 ArrayList<Integer>，并将基本类型 int 应用于这个集合，那么你将发现自动装箱机制将自动地实现 int 到 Integer 的双向转换，这几乎就像是有一个 ArrayList<int> 一样

2. 实现参数化接口

一个类不能实现同一个泛型接口的两种变体，由于擦除的原因，这两个变体会成为相同的接口。下面是产生这种冲突的情况：

interface Payable<T> {}

class Employee implements Payable<Employee> {}

class Hourly extends Employee implements Payable<Hourly> {}

Hourly 不能编译，因为擦除会将 Payable<Employe> 和 Payable<Hourly> 简化为相同的类 Payable，这样，上面的代码就意味着在重复两次地实现相同的接口。十分有趣的是，如果从 Payable 的两种用法中都移除掉泛型参数（就像编译器在擦除阶段所做的那样）这段代码就可以编译

3. 转型和警告

使用带有泛型类型参数的转型不会有任何效果，例如：

class Storage<T> {
    
    private Object obj;

    Storage() {
        obj = new Object();
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public T pop() {
        return (T)obj;
    }
}

public class GenericCast {

    public static void main(String[] args) {
        Storage<String> storage = new Storage<>();
        System.out.println(storage.pop());
    }
}

如果没有 @SuppressWarnings 注解，编译器将对 pop() 产生 “unchecked cast” 警告。由于擦除的原因，编译器无法知道这个转型是否是安全的，并且 pop() 方法实际上并没有执行任何转型。 这是因为，T 被擦除到它的第一个边界，默认情况下是 Object，因此 pop() 实际上只是将 Object 转型为 Object

4. 重载

下面的程序是不能编译的，因为擦除，所以重载方法产生了相同的类型签名

public class UseList<W, T> {
    void f(List<T> v) {}
    void f(List<W> v) {}
}