泛型实现原理

Java中的泛型是伪泛型

泛型思想最早在C++语言的模板（Templates）中产生，Java后来也借用了这种思想。虽然思想一致，但是他们存在着本质性的不同。C++中的模板是真正意义上的泛型，在编译时就将不同模板类型参数编译成对应不同的目标代码，ClassName和ClassName是两种不同的类型，这种泛型被称为真正泛型。这种泛型实现方式，会导致类型膨胀，因为要为不同具体参数生成不同的类。

Java中ClassName和ClassName虽然在源代码中属于不同的类，但是编译后的字节码中，他们都被替换成原始类型（ClassName），而两者的原始类型的一样的，所以在运行时环境中，ClassName和ClassName就是同一个类。Java中的泛型是一种特殊的语法糖，通过类型擦除实现（后面介绍），这种泛型称为伪泛型。由于Java中有这么一个障眼法，如果没有进行深入研究，就会在产生莫名其妙的问题。值得一提的是，不少大牛对Java的泛型的实现方式很不满意。

类型擦除

Java中的泛型是通过类型擦除来实现的。所谓类型擦除，是指通过类型参数合并，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。

下面通过两个例子来证明在编译时确实发生了类型擦除。

例1分别创建实际类型为String和Integer的ArrayList对象，通过getClass()方法获取两个实例的类，最后判断这个实例的类是相等的，证明两个实例共享同一个类。

// 声明一个具体类型为String的ArrayList
ArrayList<String> arrayList1 = new ArrayList<String>();  
arrayList1.add("abc");  

// 声明一个具体类型为Integer的ArrayList
ArrayList<Integer> arrayList2 = new ArrayList<Integer>();  
arrayList2.add(123);  

System.out.println(arrayList1.getClass() == arrayList2.getClass());  // 结果为true

例2创建一个只能存储Integer的ArrayList对象，在add一个整型数值后，利用反射调用add(Object o)add一个asd字符串，此时运行代码不会报错，运行结果会打印出1和asd两个值。这时再里利用反射调用add(Integer o)方法，运行会抛出codeNoSuchMethodException异常。这充分证明了在编译后，擦除了Integer这个泛型信息，只保留了原始类型。

ArrayList<Integer> arrayList3 = new ArrayList<Integer>();
arrayList3.add(1);
arrayList3.getClass().getMethod("add", Object.class).invoke(arrayList3, "asd");
for (int i = 0; i < arrayList3.size(); i++) {
    System.out.println(arrayList3.get(i)); // 输出1，asd
}

arrayList3.getClass().getMethod("add", Integer.class).invoke(arrayList3, 2); // NoSuchMethodException：java.util.ArrayList.add(java.lang.Integer)

自动类型转换

上一节上说到了类型擦除，Java编译器会擦除掉泛型信息。那么调用ArrayList的get()最终返回的必然会是一个Object对象，但是我们在源代码并没有写过Object转成Integer的代码，为什么就能“直接”将取出来的对象赋予一个Integer类型的变量呢（如下面的代码第12行）？

import java.util.List;
import java.util.ArrayList;

/**
 * 泛型中的类型转换测试。
 */
public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> a = new ArrayList<Integer>();
        a.add(1);
        Integer ai = a.get(0);
    }
}

实际上，Java的泛型除了类型擦除之外，还会自动生成checkcast指令进行强制类型转换。上面的代码中的main方法编译后所对应的字节码如下。

public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: new           #2                  // class java/util/ArrayList
         3: dup
         4: invokespecial #3                  // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: iconst_1
        10: invokestatic  #4                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
        13: invokeinterface #5,  2            // InterfaceMethod java/util/List.add:(Ljava/lang/Object;)Z
        18: pop
        19: aload_1
        20: iconst_0
        21: invokeinterface #6,  2            // InterfaceMethod java/util/List.get:(I)Ljava/lang/Object;
        26: checkcast     #7                  // class java/lang/Integer
        29: astore_2
        30: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
        line 8: 8
        line 9: 19
        line 10: 30
}

看到第18行代码就是将Object类型的对象强制转换为Integer的指令。我们完全可以将上面的代码转换为下面的代码，它所实现的效果跟上面的泛型是一模一样的。既然泛型也需要进行强制转换，所以泛型并不会提供运行时效率，不过可以大大降低编程时的出错概率。

public static void main(String[] args) {
    List a = new ArrayList();
    a.add(1);
    Integer ai = (Integer)a.get(0);
}