Java基础 - Java泛型
开发人员在使用泛型的时候,很容易根据自己的直觉而犯一些错误。比如一个方法如果接收List<Object>
作为形式参数,那么如果尝试将一个List<String>
的对象作为实际参数传进去,却发现无法通过编译。虽然从直觉上来说,Object
是String
的父类,这种类型转换应该是合理的。但是实际上这会产生隐含的类型转换问题,因此编译器直接就禁止这样的行为。
类型擦除
Java中的泛型基本上都是在编译器这个层次来实现的,在生成的Java字节代码中是不包含泛型中的类型信息的。使用泛型的时候加上的类型参数,会被编译器在编译的时候去掉,这个过程就称为类型擦除。如在代码中定义的List<Object>
和List<String>
等类型,在编译之后都会变成List
。JVM看到的只是List,而由泛型附加的类型信息对JVM来说是不可见的。Java编译器会在编译时尽可能的发现可能出错的地方,但是仍然无法避免在运行时刻出现类型转换异常的情况。
很多泛型的奇怪特性都与这个类型擦除的存在有关,包括:
泛型类并没有自己独有的Class类对象。比如并不存在
List<String>.class
或是List<Integer>.class
,而只有List.class
。静态变量是被泛型类的所有实例所共享的。对于声明为
MyClass<T>
的类,访问其中的静态变量的方法仍然是MyClass.myStaticVar
。不管是通过new MyClass<String>
还是new MyClass<Integer>
创建的对象,都是共享一个静态变量。泛型的类型参数不能用在Java异常处理的catch语句中。因为异常处理是由
JVM
在运行时刻来进行的。由于类型信息被擦除,JVM
是无法区分两个异常类型MyException<String>
和MyException<Integer>
的。对于JVM
来说,它们都是MyException
类型的。也就无法执行与异常对应的catch语句。
类型擦除的基本过程也比较简单,首先是找到用来替换类型参数的具体类。这个具体类一般是Object。如果指定了类型参数的上界的话,则使用这个上界。把代码中的类型参数都替换成具体的类。同时去掉出现的类型声明,即去掉<>的内容。比如T get()
方法声明就变成了Object get()
;List<String>
就变成了List
。接下来就可能需要生成一些桥接方法(bridge method)。这是由于擦除了类型之后的类可能缺少某些必须的方法。比如考虑下面的代码:
class MyString implements Comparable<String> {
public int compareTo(String str) {
return 0;
}
}
当类型信息被擦除之后,上述类的声明变成了class MyString implements Comparable
。但是这样的话,类MyString
就会有编译错误,因为没有实现接口Comparable
声明的int compareTo(Object)
方法。这个时候就由编译器来动态生成这个方法。
通配符
在使用泛型类的时候,既可以指定一个具体的类型,如List<String>
就声明了具体的类型是String
;也可以用通配符?
来表示未知类型,如List<?>
就声明了List
中包含的元素类型是未知的。 通配符所代表的其实是一组类型,但具体的类型是未知的。List<?>
所声明的就是所有类型都是可以的。但是List<?>
并不等同于List<Object>
。List<Object>
实际上确定了List
中包含的是Object
及其子类,在使用的时候都可以通过Object
来进行引用。而List<?>
则其中所包含的元素类型是不确定。其中可能包含的是String
,也可能是 Integer
。如果它包含了String
的话,往里面添加Integer
类型的元素就是错误的。正因为类型未知,就不能通过new ArrayList<?>()的方法来创建一个新的ArrayList对象。因为编译器无法知道具体的类型是什么。但是对于 List<?>中的元素确总是可以用Object来引用的,因为虽然类型未知,但肯定是Object及其子类。考虑下面的代码:
public void wildcard(List<?> list) {
list.add(1);//编译错误
}
如上所示,试图对一个带通配符的泛型类进行操作的时候,总是会出现编译错误。其原因在于通配符所表示的类型是未知的。
因为对于List<?>
中的元素只能用Object
来引用,在有些情况下不是很方便。在这些情况下,可以使用上下界来限制未知类型的范围。 如 List<? extends Number>
说明List中可能包含的元素类型是Number
及其子类。而List<? super Number>
则说明List中包含的是Number及其父类。当引入了上界之后,在使用类型的时候就可以使用上界类中定义的方法。
类型系统
在Java中,大家比较熟悉的是通过继承机制而产生的类型体系结构。比如String
继承自Object
。根据Liskov替换原则
,子类是可以替换父类的。当需要Object
类的引用的时候,如果传入一个String
对象是没有任何问题的。但是反过来的话,即用父类的引用替换子类引用的时候,就需要进行强制类型转换。编译器并不能保证运行时刻这种转换一定是合法的。这种自动的子类替换父类的类型转换机制,对于数组也是适用的。 String[]可以替换Object[]。但是泛型的引入,对于这个类型系统产生了一定的影响。正如前面提到的List是不能替换掉List的。
引入泛型之后的类型系统增加了两个维度:一个是类型参数自身的继承体系结构,另外一个是泛型类或接口自身的继承体系结构。第一个指的是对于 List<String>
和List<Object>
这样的情况,类型参数String
是继承自Object
的。而第二种指的是 List
接口继承自Collection
接口。对于这个类型系统,有如下的一些规则:
相同类型参数的泛型类的关系取决于泛型类自身的继承体系结构。即
List<String>
是Collection<String>
的子类型,List<String>
可以替换Collection<String>
。这种情况也适用于带有上下界的类型声明。当泛型类的类型声明中使用了通配符的时候,其子类型可以在两个维度上分别展开。如对
Collection<? extends Number>
来说,其子类型可以在Collection
这个维度上展开,即List<? extends Number>
和Set<? extends Number>
等;也可以在Number
这个层次上展开,即Collection<Double>
和Collection<Integer>
等。如此循环下去,ArrayList<Long>
和HashSet<Double>
等也都算是Collection<? extends Number>
的子类型。如果泛型类中包含多个类型参数,则对于每个类型参数分别应用上面的规则。