Java泛型机制详解

深入理解泛型

如何理解Java中的泛型是伪泛型？泛型中类型擦除

Java泛型这个特性是从JDK 1.5才开始加入的，因此为了兼容之前的版本，Java泛型的实现采取了“伪泛型”的策略，即Java在语法上支持泛型，但是在编译阶段会进行所谓的“类型擦除”（Type Erasure），将所有的泛型表示（尖括号中的内容）都替换为具体的类型（其对应的原生态类型），就像完全没有泛型一样。理解类型擦除对于用好泛型是很有帮助的，尤其是一些看起来“疑难杂症”的问题，弄明白了类型擦除也就迎刃而解了。

泛型的类型擦除原则是：

• 消除类型参数声明，即删除<>及其包围的部分。
• 根据类型参数的上下界推断并替换所有的类型参数为原生态类型：如果类型参数是无限制通配符或没有上下界限定则替换为Object，如果存在上下界限定则根据子类替换原则取类型参数的最左边限定类型（即父类）。
• 为了保证类型安全，必要时插入强制类型转换代码。
• 自动产生“桥接方法”以保证擦除类型后的代码仍然具有泛型的“多态性”。

擦除类定义中的类型参数 - 无限制类型擦除

当类定义中的类型参数没有任何限制时，在类型擦除中直接被替换为Object，即形如和的类型参数都被替换为Object。

擦除类定义中的类型参数 - 有限制类型擦除

当类定义中的类型参数存在限制（上下界）时，在类型擦除中替换为类型参数的上界或者下界，比如形如和的类型参数被替换为Number，被替换为Object。

擦除方法定义中的类型参数

擦除方法定义中的类型参数原则和擦除类定义中的类型参数是一样的，这里仅以擦除方法定义中的有限制类型参数为例。

如何证明类型的擦除呢？

public class Test {
 
    public static void main(String[] args) {
 
        ArrayList<String> list1 = new ArrayList<String>();
        list1.add("abc");
 
        ArrayList<Integer> list2 = new ArrayList<Integer>();
        list2.add(123);
/**
定义了两个ArrayList数组，不过一个是ArrayList<String>泛型类型的，只能存储字符串；一个是ArrayList<Integer>泛型类型的，只能存储整数，最后，我们通过list1对象和list2对象的getClass()方法获取他们的类的信息，最后发现结果为true。说明泛型类型String和Integer都被擦除掉了，只剩下原始类型
*/
        System.out.println(list1.getClass() == list2.getClass()); // true
    }
}
//--------------------------------通过反射添加其它类型元素---------------------------------------------------
 
 public static void main(String[] args) throws Exception {
 
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
 
        list.add(1);  //这样调用 add 方法只能存储整形，因为泛型类型的实例为 Integer
 
//在程序中定义了一个ArrayList泛型类型实例化为Integer对象，如果直接调用add()方法，那么只能存储整数数据，不过当我们利用反射调用add()方法的时候，却可以存储字符串，这说明了Integer泛型实例在编译之后被擦除掉了，只保留了原始类型
        list.getClass().getMethod("add", Object.class).invoke(list, "asd");
 
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }
    }
 

如何理解类型擦除后保留的原始类型?

原始类型 就是擦除去了泛型信息，最后在字节码中的类型变量的真正类型，无论何时定义一个泛型，相应的原始类型都会被自动提供，类型变量擦除，并使用其限定类型（无限定的变量用Object）替换。

//擦除前
class Pair {  
    private T value;  
    ```
} 
//擦除后
class Pair {  
    private Object value;  
    ```
} 
//擦除前
public class Pair extends Comparable> {}
//那么原始类型就是Comparable。
 

在调用泛型方法时，可以指定泛型，也可以不指定泛型:

• 在不指定泛型的情况下，泛型变量的类型为该方法中的几种类型的同一父类的最小级，直到Object
• 在指定泛型的情况下，该方法的几种类型必须是该泛型的实例的类型或者其子类

public class Test {  
    public static void main(String[] args) {  
 
        /**不指定泛型的时候*/  
        int i = Test.add(1, 2); //这两个参数都是Integer，所以T为Integer类型  
        Number f = Test.add(1, 1.2); //这两个参数一个是Integer，一个是Float，所以取同一父类的最小级，为Number  
        Object o = Test.add(1, "asd"); //这两个参数一个是Integer，一个是String，所以取同一父类的最小级，为Object  
 
        /**指定泛型的时候*/  
        int a = Test.<Integer>add(1, 2); //指定了Integer，所以只能为Integer类型或者其子类  
        int b = Test.<Integer>add(1, 2.2); //编译错误，指定了Integer，不能为Float  
        Number c = Test.<Number>add(1, 2.2); //指定为Number，所以可以为Integer和Float  
    }  
 
    //这是一个简单的泛型方法  
    public static <T> T add(T x,T y){  
        return y;  
    }  
}
 

如何理解泛型的编译期检查？

Java编译器是通过先检查代码中泛型的类型，然后在进行类型擦除，再进行编译。

public static  void main(String[] args) {  
 
    ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();  
    list.add("123");  
    list.add(123);//编译错误
    //说明这就是在编译之前的检查，因为如果是在编译之后检查，类型擦除后，原始类型为Object，是应该允许任意引用类型添加的。可实际上      却不是这样的，这恰恰说明了关于泛型变量的使用，是会在编译之前检查的。
}
 

接下来研究这个类型检查是针对谁的，以ArrayList举例：

//以前的写法
ArrayList list = new ArrayList();  
//现在的写法
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
//兼容的写法
ArrayList<String> list1 = new ArrayList(); //第一种 情况
ArrayList list2 = new ArrayList<String>(); //第二种 情况
 
//类型检查就是针对引用的，谁是一个引用，用这个引用调用泛型方法，就会对这个引用调用的方法进行类型检测，而无关它真正引用的对象。
 public static void main(String[] args) {  
 
        ArrayList<String> list1 = new ArrayList();  
        list1.add("1"); //编译通过  
        list1.add(1); //编译错误  
        String str1 = list1.get(0); //返回类型就是String  
 
        ArrayList list2 = new ArrayList<String>();  
        list2.add("1"); //编译通过  
        list2.add(1); //编译通过  
        Object object = list2.get(0); //返回类型就是Object  
 
        new ArrayList<String>().add("11"); //编译通过  
        new ArrayList<String>().add(22); //编译错误  
 
        String str2 = new ArrayList<String>().get(0); //返回类型就是String  
    }  
 

泛型中参数类型为什么不考虑继承关系？

//在Java中，像下面形式的引用传递是不允许的:
ArrayList<String> list1 = new ArrayList<Object>(); //编译错误  
ArrayList<Object> list2 = new ArrayList<String>(); //编译错误
//第一种情况可以看做如下代码
rrayList<Object> list1 = new ArrayList<Object>();  
list1.add(new Object());  
list1.add(new Object());  
ArrayList<String> list2 = list1; //编译错误，因为想要的是String类型，但实际的是object类型，ClassCastException
//第二种情况可以看做如下代码
ArrayList<String> list1 = new ArrayList<String>();  
list1.add(new String());  
list1.add(new String());
ArrayList<Object> list2 = list1; //编译错误，虽然没有类型转换异常，但是从String转换为Object有什么意义呢
//所以，要格外注意，泛型中的引用传递的问题。
 

如何理解泛型的多态？泛型的桥接方法

类型擦除会造成多态的冲突，而JVM解决方法就是桥接方法。

//首先定义一个泛型类
class Pair {  
 
    private T value;  
 
    public T getValue() {  
        return value;  
    }  
 
    public void setValue(T value) {  
        this.value = value;  
    }  
}
 
//一个子类继承,设定父类的泛型类型为Pair
class DateInter extends Pair<Date> {  
 
    @Override  
    public void setValue(Date value) {  
        super.setValue(value);  
    }  
 
    @Override  
    public Date getValue() {  
        return super.getValue();  
    }  
}
 

分析：实际上，类型擦除后，父类的的泛型类型全部变为了原始类型Object,而子类的类型是Date，参数类型不一样，这如果是在普通的继承关系中，根本就不会是重写，而是重载。

由于种种原因，虚拟机并不能将泛型类型直接变为Date，只能将类型擦除掉，变为原始类型Object，为了实现重写，JVM采用了一个特殊的方法，来完成这项功能，那就是桥方法。

class com.tao.test.DateInter extends com.tao.test.Pair<java.util.Date> {  
  com.tao.test.DateInter();  
    Code:  
       0: aload_0  
       1: invokespecial #8                  // Method com/tao/test/Pair."":()V  
       4: return  
 
  public void setValue(java.util.Date);  //我们重写的setValue方法  
    Code:  
       0: aload_0  
       1: aload_1  
       2: invokespecial #16                 // Method com/tao/test/Pair.setValue:(Ljava/lang/Object;)V  
       5: return  
 
  public java.util.Date getValue();    //我们重写的getValue方法  
    Code:  
       0: aload_0  
       1: invokespecial #23                 // Method com/tao/test/Pair.getValue:()Ljava/lang/Object;  
       4: checkcast     #26                 // class java/util/Date  
       7: areturn  
 
  public java.lang.Object getValue();     //编译时由编译器生成的桥方法  
    Code:  
       0: aload_0  
       1: invokevirtual #28                 // Method getValue:()Ljava/util/Date 去调用我们重写的getValue方法;  
       4: areturn  
 
  public void setValue(java.lang.Object);   //编译时由编译器生成的桥方法  
    Code:  
       0: aload_0  
       1: aload_1  
       2: checkcast     #26                 // class java/util/Date  
       5: invokevirtual #30                 // Method setValue:(Ljava/util/Date; 去调用我们重写的setValue方法)V 
       8: return  
}
 

最后的两个方法，就是编译器自己生成的桥方法。可以看到桥方法的参数类型都是Object，也就是说，子类中真正覆盖父类两个方法的就是这两个我们看不到的桥方法。而打在我们自己定义的setvalue和getValue方法上面的@Oveerride只不过是假象。而桥方法的内部实现，就只是去调用我们自己重写的那两个方法。

如何理解基本类型不能作为泛型类型？

因为当类型擦除后，ArrayList的原始类型变为Object，但是Object类型不能存储int值，只能引用Integer的值。

另外需要注意，我们能够使用list.add(1)是因为Java基础类型的自动装箱拆箱操作。

如何理解泛型类型不能实例化？

不能实例化泛型类型, 这本质上是由于类型擦除决定的

因为在 Java 编译期没法确定泛型参数化类型，也就找不到对应的类字节码文件，所以自然就不行了，此外由于T 被擦除为 Object，如果可以 new T() 则就变成了 new Object()，失去了本意。 如果我们确实需要实例化一个泛型，可以通过反射实现：

static <T> T newTclass (Class < T > clazz) throws InstantiationException, IllegalAccessException {
    T obj = clazz.newInstance();
    return obj;
}
 

如何理解泛型类中的静态方法和静态变量？

泛型类中的静态方法和静态变量不可以使用泛型类所声明的泛型类型参数

public class Test2<T> {    
    public static T one;   //编译错误    
    public static  T show(T one){ //编译错误    
        return null;    
    }    
}
//因为泛型类中的泛型参数的实例化是在定义对象的时候指定的，而静态变量和静态方法不需要使用对象来调用。对象都没有创建，如何确定这个泛型参数是何种类型，所以当然是错误的。
 
//注意区分下面的一种情况：
public class Test2<T> {    
    //因为这是一个泛型方法，在泛型方法中使用的T是自己在方法中定义的 T，而不是泛型类中的T。
    public static <T >T show(T one){ //这是正确的    
        return null;    
    }    
}
 

如何理解异常中使用泛型？

不能抛出也不能捕获泛型类的对象。事实上，泛型类扩展Throwable都不合法。

//假设定义如下泛型类
public class Problem extends Exception {
 
}
//在try-catch语句中捕获
try{
 
} catch(Problem<Integer> e1) {
 
} catch(Problem<Number> e2) {
 
} 
//类型信息被擦除后，那么两个地方的catch都变为原始类型Object，那么也就是说，这两个地方的catch变的一模一样
 

不能再catch子句中使用泛型变量

public static extends Throwable> void doWork(Class t) {
    try {
        ...
    } catch(T e) { //编译错误
        ...
    }
}
//因为泛型信息在编译的时候已经变为原始类型，也就是说上面的T会变为原始类型Throwable
 

如何获取泛型的参数类型？

既然类型被擦除了，那么如何获取泛型的参数类型呢？可以通过反射（java.lang.reflect.Type）获取泛型

java.lang.reflect.Type是Java中所有类型的公共高级接口, 代表了Java中的所有类型. Type体系中类型的包括：数组类型(GenericArrayType)、参数化类型(ParameterizedType)、类型变量(TypeVariable)、通配符类型(WildcardType)、原始类型(Class)、基本类型(Class), 以上这些类型都实现Type接口。

public class GenericType<T> {
    private T data;
 
    public T getData() {
        return data;
    }
 
    public void setData(T data) {
        this.data = data;
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        GenericType<String> genericType = new GenericType<String>() {};
        Type superclass = genericType.getClass().getGenericSuperclass();
        //getActualTypeArguments 返回确切的泛型参数, 如Map<String, Integer>返回[String, Integer]
        Type type = ((ParameterizedType) superclass).getActualTypeArguments()[0]; 
        System.out.println(type);//class java.lang.String
    }
}
 

其中 ParameterizedType:

public interface ParameterizedType extends Type {
    // 返回确切的泛型参数, 如Map<String, Integer>返回[String, Integer]
    Type[] getActualTypeArguments();
 
    //返回当前class或interface声明的类型, 如List<?>返回List
    Type getRawType();
 
    //返回所属类型. 如,当前类型为O<T>.I<S>, 则返回O<T>. 顶级类型将返回null 
    Type getOwnerType();
}
 

泛型数组：能不能采用具体的泛型类型进行初始化？

我们先来看下Oracle官网提供的一个例子：

List<String>[] lsa = new List<String>[10]; // Not really allowed.
Object o = lsa;
Object[] oa = (Object[]) o;
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.add(new Integer(3));
oa[1] = li; // Unsound, but passes run time store check
String s = lsa[1].get(0); // Run-time error ClassCastException.  
 

由于 JVM 泛型的擦除机制，所以上面代码可以给 oa[1] 赋值为 ArrayList 也不会出现异常，但是在取出数据的时候却要做一次类型转换，所以就会出现 ClassCastException，如果可以进行泛型数组的声明则上面说的这种情况在编译期不会出现任何警告和错误，只有在运行时才会出错，但是泛型的出现就是为了消灭 ClassCastException，所以如果 Java 支持泛型数组初始化操作就是搬起石头砸自己的脚。

而对于下面的代码来说是成立的：

List<?>[] lsa = new List<?>[10]; // OK, array of unbounded wildcard type.
Object o = lsa;
Object[] oa = (Object[]) o;
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.add(new Integer(3));
oa[1] = li; // Correct.
Integer i = (Integer) lsa[1].get(0); // OK
 

所以说采用通配符的方式初始化泛型数组是允许的，因为对于通配符的方式最后取出数据是要做显式类型转换的，符合预期逻辑。综述就是说Java 的泛型数组初始化时数组类型不能是具体的泛型类型，只能是通配符的形式，因为具体类型会导致可存入任意类型对象，在取出时会发生类型转换异常，会与泛型的设计思想冲突，而通配符形式本来就需要自己强转，符合预期。

更进一步的，我们看看如下的代码：

List<String>[] list11 = new ArrayList<String>[10]; //编译错误，非法创建 
List<String>[] list12 = new ArrayList<?>[10]; //编译错误，需要强转类型 
List<String>[] list13 = (List<String>[]) new ArrayList<?>[10]; //OK，但是会有警告 
List<?>[] list14 = new ArrayList<String>[10]; //编译错误，非法创建 
List<?>[] list15 = new ArrayList<?>[10]; //OK 
List<String>[] list6 = new ArrayList[10]; //OK，但是会有警告  
 

因为在 Java 中是不能创建一个确切的泛型类型的数组的，除非是采用通配符的方式且要做显式类型转换才可以。

泛型数组：如何正确的初始化泛型数组实例？

这个无论我们通过new ArrayList[10] 的形式还是通过泛型通配符的形式初始化泛型数组实例都是存在警告的，也就是说仅仅语法合格，运行时潜在的风险需要我们自己来承担，因此那些方式初始化泛型数组都不是最优雅的方式。

我们在使用到泛型数组的场景下应该尽量使用列表集合替换，此外也可以通过使用 java.lang.reflect.Array.newInstance(Class componentType, int length) 方法来创建一个具有指定类型和维度的数组，如下：

public class ArrayWithTypeToken<T> {
    private T[] array;
 
    public ArrayWithTypeToken(Class<T> type, int size) {
        array = (T[]) Array.newInstance(type, size);
    }
 
    public void put(int index, T item) {
        array[index] = item;
    }
 
    public T get(int index) {
        return array[index];
    }
 
    public T[] create() {
        return array;
    }
}
//...
 
ArrayWithTypeToken<Integer> arrayToken = new ArrayWithTypeToken<Integer>(Integer.class, 100);
Integer[] array = arrayToken.create();
 

所以使用反射来初始化泛型数组算是优雅实现，因为泛型类型 T在运行时才能被确定下来，我们能创建泛型数组也必然是在 Java 运行时想办法，而运行时能起作用的技术最好的就是反射了