聊聊Java的泛型及實現
泛型基礎
泛型是對Java語言類型系統的一種擴展，有點類似于C++的模板，可以把類型參數看作是使用參數化類型時指定的類型的一個占位符。引入泛型，是對Java語言一個較大的功能增強，帶來了很多的好處：
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類型安全。類型錯誤現在在編譯期間就被捕獲到了，而不是在運行時當作java.lang.ClassCastException展示出來，將類型檢查從運行時挪到編譯時有助于開發者更容易找到錯誤，并提高程序的可靠性
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消除了代碼中許多的強制類型轉換，增強了代碼的可讀性
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為較大的優化帶來了可能
泛型是什么并不會對一個對象實例是什么類型的造成影響，所以，通過改變泛型的方式試圖定義不同的重載方法是不可以的。剩下的內容我不會對泛型的使用做過多的講述，泛型的通配符等知識請自行查閱。
在進入下面的論述之前我想先問幾個問題：
- 定義一個泛型類***到底會生成幾個類，比如ArrayList<T>到底有幾個類
- 定義一個泛型方法最終會有幾個方法在class文件中
- 為什么泛型參數不能是基本類型呢
- ArrayList<Integer>是一個類嗎
- ArrayList<Integer>和List<Integer>和ArrayList<Number>和List<Number>是什么關系呢，這幾個類型的引用能相互賦值嗎
類型擦除
正確理解泛型概念的首要前提是理解類型擦除（type erasure）。 Java中的泛型基本上都是在編譯器這個層次來實現的。在生成的Java字節代碼中是不包含泛型中的類型信息的。使用泛型的時候加上的類型參數，會被編譯器在編譯的時候去掉。這個過程就稱為類型擦除。如在代碼中定義的List<Object>和List<String>等類型，在編譯之后都會變成List。JVM看到的只是List，而由泛型附加的類型信息對JVM來說是不可見的。Java編譯器會在編譯時盡可能的發現可能出錯的地方，但是仍然無法避免在運行時刻出現類型轉換異常的情況。類型擦除也是Java的泛型實現方式與C++模板機制實現方式之間的重要區別。
很多泛型的奇怪特性都與這個類型擦除的存在有關，包括：
- 泛型類并沒有自己獨有的Class類對象。比如并不存在List<String>.class或是List<Integer>.class，而只有List.class。
- 靜態變量是被泛型類的所有實例所共享的。對于聲明為MyClass<T>的類，訪問其中的靜態變量的方法仍然是 MyClass.myStaticVar。不管是通過new MyClass<String>還是new MyClass<Integer>創建的對象，都是共享一個靜態變量。
- 泛型的類型參數不能用在Java異常處理的catch語句中。因為異常處理是由JVM在運行時刻來進行的。由于類型信息被擦除，JVM是無法區分兩個異常類型MyException<String>和MyException<Integer>的。對于JVM來說，它們都是 MyException類型的。也就無法執行與異常對應的catch語句。
類型擦除的基本過程也比較簡單，首先是找到用來替換類型參數的具體類。這個具體類一般是Object。如果指定了類型參數的上界的話，則使用這個上界。把代碼中的類型參數都替換成具體的類。同時去掉出現的類型聲明，即去掉<>的內容。比如T get()方法聲明就變成了Object get()；List<String>就變成了List。
泛型的實現原理
因為種種原因，Java不能實現真正的泛型，只能使用類型擦除來實現偽泛型，這樣雖然不會有類型膨脹（C++模板令人困擾的難題）的問題，但是也引起了許多新的問題。所以，Sun對這些問題作出了許多限制，避免我們犯各種錯誤。
保證類型安全
首先***個是泛型所宣稱的類型安全，既然類型擦除了，如何保證我們只能使用泛型變量限定的類型呢？java編譯器是通過先檢查代碼中泛型的類型，然后再進行類型擦除，在進行編譯的。那類型檢查是針對誰的呢，讓我們先看一個例子。
- ArrayList<String> arrayList1=new ArrayList(); // 正確，只能放入String
- ArrayList arrayList2=new ArrayList<String>(); // 可以放入任意Object
這樣是沒有錯誤的，不過會有個編譯時警告。不過在***種情況，可以實現與 完全使用泛型參數一樣的效果，第二種則完全沒效果。因為，本來類型檢查就是編譯時完成的。new ArrayList()只是在內存中開辟一個存儲空間，可以存儲任何的類型對象。而真正涉及類型檢查的是它的引用，因為我們是使用它引用arrayList1 來調用它的方法，比如說調用add()方法。所以arrayList1引用能完成泛型類型的檢查。 而引用arrayList2沒有使用泛型，所以不行。
類型檢查就是針對引用的，誰是一個引用，用這個引用調用泛型方法，就會對這個引用調用的方法進行類型檢測，而無關它真正引用的對象。
實現自動類型轉換
因為類型擦除的問題，所以所有的泛型類型變量***都會被替換為原始類型。這樣就引起了一個問題，既然都被替換為原始類型，那么為什么我們在獲取的時候，不需要進行強制類型轉換呢？
- public class Test {
- public static void main(String[] args) {
- ArrayList<Date> list=new ArrayList<Date>();
- list.add(new Date());
- Date myDate=list.get(0);
- }
- }
編譯器生成的class文件中會在你調用泛型方法完成之后返回調用點之前加上類型轉換的操作，比如上文的get函數，就是在get方法完成后，jump回原本的賦值操作的指令位置之前加入了強制轉換，轉換的類型由編譯器推導。
泛型中的繼承關系
先看一個例子：
- class DateInter extends A<Date> {
- @Override
- public void setValue(Date value) {
- super.setValue(value);
- }
- @Override
- public Date getValue() {
- return super.getValue();
- }
- }
先來分析setValue方法，父類的類型是Object，而子類的類型是Date，參數類型不一樣，這如果實在普通的繼承關系中，根本就不會是重寫，而是重載。
- public void setValue(java.util.Date); //我們重寫的setValue方法
- Code:
- 0: aload_0
- 1: aload_1
- 2: invokespecial #16 // invoke A setValue
- :(Ljava/lang/Object;)V
- 5: return
- public java.util.Date getValue(); //我們重寫的getValue方法
- Code:
- 0: aload_0
- 1: invokespecial #23 // A.getValue
- :()Ljava/lang/Object;
- 4: checkcast #26
- 7: areturn
- public java.lang.Object getValue(); //編譯時由編譯器生成的方法
- Code:
- 0: aload_0
- 1: invokevirtual #28 // Method getValue:() 去調用我們重寫的getValue方法
- ;
- 4: areturn
- public void setValue(java.lang.Object); //編譯時由編譯器生成的方法
- Code:
- 0: aload_0
- 1: aload_1
- 2: checkcast #26
- 5: invokevirtual #30 // Method setValue; 去調用我們重寫的setValue方法
- )V
- 8: return
并且，還有一點也許會有疑問，子類中的方法 Object getValue()和Date getValue()是同 時存在的，可是如果是常規的兩個方法，他們的方法簽名是一樣的，也就是說虛擬機根本不能分別這兩個方法。如果是我們自己編寫Java代碼，這樣的代碼是無法通過編譯器的檢查的，但是虛擬機卻是允許這樣做的，因為虛擬機通過參數類型和返回類型來確定一個方法，所以編譯器為了實現泛型的多態允許自己做這個看起來“不合法”的事情，然后交給虛擬器去區別。
我們再看一個經常出現的例子。
- class A {
- Object get(){
- return new Object();
- }
- }
- class B extends A {
- @Override
- Integer get() {
- return new Integer(1);
- }
- }
- public static void main(String[] args){
- A a = new B();
- B b = (B) a;
- A c = new A();
- a.get();
- b.get();
- c.get();
- }
反編譯之后的結果
- 17: invokespecial #5 // Method com/suemi/network/test/A."<init>":()V
- 20: astore_3
- 21: aload_1
- 22: invokevirtual #6 // Method com/suemi/network/test/A.get:()Ljava/lang/Object;
- 25: pop
- 26: aload_2
- 27: invokevirtual #7 // Method com/suemi/network/test/B.get:()Ljava/lang/Integer;
- 30: pop
- 31: aload_3
- 32: invokevirtual #6 // Method com/suemi/network/test/A.get:()Ljava/lang/Object;
實際上當我們使用父類引用調用子類的get時，先調用的是JVM生成的那個覆蓋方法，在橋接方法再調用自己寫的方法實現。
泛型參數的繼承關系
在Java中，大家比較熟悉的是通過繼承機制而產生的類型體系結構。比如String繼承自Object。根據Liskov替換原則，子類是可以替換父類的。當需要Object類的引用的時候，如果傳入一個String對象是沒有任何問題的。但是反過來的話，即用父類的引用替換子類引用的時候，就需要進行強制類型轉換。編譯器并不能保證運行時刻這種轉換一定是合法的。這種自動的子類替換父類的類型轉換機制，對于數組也是適用的。 String[]可以替換Object[]。但是泛型的引入，對于這個類型系統產生了一定的影響。正如前面提到的List<String>是不能替換掉List<Object>的。
引入泛型之后的類型系統增加了兩個維度：一個是類型參數自身的繼承體系結構，另外一個是泛型類或接口自身的繼承體系結構。***個指的是對于 List<String>和List<Object>這樣的情況，類型參數String是繼承自Object的。而第二種指的是 List接口繼承自Collection接口。對于這個類型系統，有如下的一些規則：
相同類型參數的泛型類的關系取決于泛型類自身的繼承體系結構。即List<String>可以賦給Collection<String> 類型的引用，List<String>可以替換Collection<String>。這種情況也適用于帶有上下界的類型聲明。 當泛型類的類型聲明中使用了通配符的時候， 這種替換的判斷可以在兩個維度上分別展開。如對Collection<? extends Number>來說，用來替換他的引用可以在Collection這個維度上展開，即List<? extends Number>和Set<? extends Number>等；也可以在Number這個層次上展開，即Collection<Double>和 Collection<Integer>等。如此循環下去，ArrayList<Long>和 HashSet<Double>等也都可以替換Collection<? extends Number>。
如果泛型類中包含多個類型參數，則對于每個類型參數分別應用上面的規則。理解了上面的規則之后，就可以很容易的修正實例分析中給出的代碼了。只需要把List<Object>改成List<?>即可。List<String>可以替換List<?>的子類型，因此傳遞參數時不會發生錯誤。
個人認為這里對上面這種情形使用子類型這種說法來形容這種關系是不當的，因為List<String>等本質上來說不能算作類型，只是對List類型加上了編譯器檢查約束，也就不存在子類型這種說法。只能用是否在賦值時能夠進行類型轉換來說明。
泛型使用中的注意點
運行時型別查詢
- // 錯誤，為類型擦除之后，ArrayList<String>只剩下原始類型，泛型信息String不存在了，無法進行判斷
- if( arrayList instanceof ArrayList<String>)
- if( arrayList instanceof ArrayList<?>) // 正確
異常中使用泛型的問題
- 不能拋出也不能捕獲泛型類的對象。事實上，泛型類擴展Throwable都不合法。為什么不能擴展Throwable，因為異常都是在運行時捕獲和拋出的，而在編譯的時候，泛型信息全都會被擦除掉。類型信息被擦除后，那么多個使用不同泛型參數地方的catch都變為原始類型Object，那么也就是說，多個地方的catch變的一模一樣，這自然不被允許。
- 不能再catch子句中使用泛型變量。
- public static <T extends Throwable> void doWork(Class<T> t){
- try{
- ...
- }catch(T e){ //編譯錯誤 T->Throwable，下面的永遠不會被捕獲，所以不被允許
- ...
- }catch(IndexOutOfBounds e){
- }
- }
不允許創建泛型類數組
- Pair<String,Integer>[] table = new Pair<String,Integer>[10];// 編譯錯誤
- Pair[] table = new Pair[10];// 無編譯錯誤
由于數組必須攜帶自己元素的類型信息，在類型擦除之后，Pair<String,Integer>數組就變成了Pair<Object,Object>數組，數組只能攜帶它的元素是Pair這樣的信息，但是并不能攜帶其泛型參數類型的信息，所以也就無法保證table[i]賦值的類型安全。編譯器只能禁用這種操作。
泛型類中的靜態方法和靜態變量
泛型類中的靜態方法和靜態變量不可以使用泛型類所聲明的泛型類型參數。
- public class Test2<T> {
- public static T one; //編譯錯誤
- public static T show(T one){ //編譯錯誤
- return null;
- }
- }
因為泛型類中的泛型參數的實例化是在定義對象的時候指定的，而靜態變量和靜態方法不需要使用對象來調用。對象都沒有創建，如何確定這個泛型參數是何種類型，所以當然是錯誤的。
類型擦除后的沖突
- class Pair<T> {
- public boolean equals(T value) {
- return null;
- }
- }
方法重定義了，同時存在兩個equals(Object o)。
