用了這么多年的 Java 泛型，你對(duì)它到底有多了解？|

作者：樓下小黑哥 2020-05-29 14:18:12

作為一個(gè) Java 程序員，日常編程早就離不開泛型。泛型自從 JDK1.5 引進(jìn)之后，真的非常提高生產(chǎn)力。一個(gè)簡(jiǎn)單的泛型 T，寥寥幾行代碼，就可以讓我們?cè)谑褂眠^程中動(dòng)態(tài)替換成任何想要的類型，再也不用實(shí)現(xiàn)繁瑣的類型轉(zhuǎn)換方法。

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雖然我們每天都在用，但是還有很多同學(xué)可能并不了解其中的實(shí)現(xiàn)原理。今天這篇我們從以下幾點(diǎn)聊聊 Java 泛型：

Java 泛型實(shí)現(xiàn)方式
類型擦除帶來的缺陷
Java 泛型發(fā)展史

Java 泛型實(shí)現(xiàn)方式

Java 采用**類型擦除(Type erasure generics)**的方式實(shí)現(xiàn)泛型。用大白話講就是這個(gè)泛型只存在源碼中，編譯器將源碼編譯成字節(jié)碼之時(shí)，就會(huì)把泛型『擦除』，所以字節(jié)碼中并不存在泛型。

對(duì)于下面這段代碼，編譯之后，我們使用 javap -s class 查看字節(jié)碼。

方法源碼

字節(jié)碼

觀察setParam 部分的字節(jié)碼，從 descriptor 可以看到，泛型 T 已被擦除，最終替換成了 Object。

“ps:并不是每一個(gè)泛型參數(shù)被擦除類型后都會(huì)變成 Object 類，如果泛型類型為 T extends String 這種方式，最終泛型擦除之后將會(huì)變成 String。

同理getParam 方法，泛型返回值也被替換成了 Object。

為了保證 String param = genericType.getParam(); 代碼的正確性，編譯器還得在這里插入類型轉(zhuǎn)換。

除此之外，編譯器還會(huì)對(duì)泛型安全性防御，如果我們往 ArrayList 添加 Integer,程序編譯期間就會(huì)報(bào)錯(cuò)。

最終類型擦除后的代碼等同與如下：

類型擦除帶來的缺陷

作為對(duì)比，我們?cè)賮砗?jiǎn)單聊下 C# 泛型的實(shí)現(xiàn)方式。

**C#**泛型實(shí)現(xiàn)方式為「具現(xiàn)化式泛型(Reifiable generics)」，不熟悉的 C#小伙伴可以不用糾結(jié)具現(xiàn)化技術(shù)概念，我也不了解這些特性--!

簡(jiǎn)單點(diǎn)來講，**C#**實(shí)現(xiàn)的泛型，無論是在程序源碼，還是在編譯之后的，甚至是運(yùn)行期間都是切實(shí)存在的。

相對(duì)比與 C# 泛型，Java 泛型看起來就像是個(gè)「?jìng)巍狗盒汀ava 泛型只存在程序源碼中，編譯之后就被擦除，這種缺陷相應(yīng)的會(huì)帶來一些問題。

不支持基本數(shù)據(jù)類型

泛型參數(shù)被擦除之后，強(qiáng)制變成了 Object 類型。這么做對(duì)于引用類型來說沒有什么問題，畢竟 Object 是所有類型的父類型。但是對(duì)于 int/long 等八個(gè)基本數(shù)據(jù)類型說，這就難辦了。因?yàn)?Java 沒辦法做到int/long 與 Object 的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換。

如果要實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換，需要進(jìn)行一系列改造，改動(dòng)難度還不小。所以當(dāng)時(shí) Java 給出一個(gè)簡(jiǎn)單粗暴的解決方案：既然沒辦法做到轉(zhuǎn)換，那就索性不支持原始類型泛型了。

如果需要使用，那就規(guī)定使用相關(guān)包裝類的泛型，比如 ArrayList。另外為了開發(fā)人員方便，順便增加了原生數(shù)據(jù)類型的自動(dòng)拆箱/裝箱的特性。

正是這種「偷懶」的做法，導(dǎo)致現(xiàn)在我們沒辦法使用原始類型泛型，又要忍受包裝類裝箱/拆箱帶來的開銷，從而又帶來運(yùn)行效率的問題。

運(yùn)行效率

上面字節(jié)碼例子我們已經(jīng)看到，泛型擦除之后類型將會(huì)變成 Object。當(dāng)泛型出現(xiàn)在方法輸入位置的時(shí)候，由于 Java 是可以向上轉(zhuǎn)型的，這里并不需要強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，所以沒有什么問題。

但是當(dāng)泛型參數(shù)出現(xiàn)在方法的輸出位置(返回值)的時(shí)候，調(diào)用該方法的地方就需要進(jìn)行向下轉(zhuǎn)換，將 Object 強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成所需類型,所以編譯器會(huì)插入一句 checkcast 字節(jié)碼。

除了這個(gè)，上面我們還說到原始基本數(shù)據(jù)類型，編譯器還需幫助我們進(jìn)行裝箱/拆箱。

所以對(duì)于下面這段代碼來說：

List<Integer> list = new ArrayList<Integer>(); 
list.add(66); // 1 
int num = list.get(0); // 2

對(duì)于①處，編譯器要做就是增加基本類型的裝箱即可。但是對(duì)于第二步來說，編譯器首先需要將 Object 強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成 Integer，接著編譯器還需要進(jìn)行拆箱。

類型擦除之后，上面代碼等同于：

List list = new ArrayList(); 
list.add(Integer.valueOf(66)); 
int num = ((Integer) list.get(0)).intValue();

如果上面泛型代碼在 C# 實(shí)現(xiàn)，就不會(huì)有這么多額外步驟。所以 Java 這種類型擦除式泛型實(shí)現(xiàn)方式無論使用效果與運(yùn)行效率，還是全面落后于 C# 的具現(xiàn)化式泛型。

運(yùn)行期間無法獲取泛型實(shí)際類型

由于編譯之后，泛型就被擦除，所以在代碼運(yùn)行期間，Java 虛擬機(jī)無法獲取泛型的實(shí)際類型。

下面這段代碼，從源碼上兩個(gè) List 看起來是不同類型的集合，但是經(jīng)過泛型擦除之后，集合都變?yōu)?ArrayList。所以 if語句中代碼將會(huì)被執(zhí)行。

ArrayList<Integer> li = new ArrayList<Integer>(); 
ArrayList<Float> lf = new ArrayList<Float>(); 
if (li.getClass() == lf.getClass()) { // 泛型擦除，兩個(gè) List 類型是一樣的 
    System.out.println("6666"); 
}

這樣代碼看起來就有點(diǎn)反直覺，這對(duì)新手來說不是很友好。

另外還會(huì)給我們?cè)趯?shí)際使用中帶來一些限制，比如說我們沒辦法直接實(shí)現(xiàn)以下代碼：

最后再舉個(gè)例子，比如說我們需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)泛型 List 轉(zhuǎn)換成數(shù)組的方法，我們就沒辦法直接從 List 去獲取泛型實(shí)際類型，所以我們不得不額外再傳入一個(gè) Class 類型，指定數(shù)組的類型：

public static <E> E[] convert(List<E> list, Class<E> componentType) { 
    E[] array = (E[]) Array.newInstance(componentType, list.size()); 
    .... 
}

從上面的例子我們可以看到，Java 采用類型擦除式實(shí)現(xiàn)泛型，缺陷很多。那為什么 Java 不采用 C# 的那種泛型實(shí)現(xiàn)方式?或者說采用一種更好實(shí)現(xiàn)方式?

這個(gè)問題等我們了解 Java 泛型機(jī)制的歷史，以及當(dāng)時(shí) Java 語言的現(xiàn)狀，我們才能切身體會(huì)到當(dāng)時(shí) Java 采用這種泛型實(shí)現(xiàn)方式的原因。

Java 泛型歷史背景

Java 泛型最早是在 JDK5 的時(shí)候才被引入，但是泛型思想最早來自來自 C++ 模板(template)。1996 年 Martin Odersky(Scala 語言締造者) 在剛發(fā)布的 Java 的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了泛型、函數(shù)式編程等功能，形成一門新的語言-「Pizza」。

后來，Java 核心開發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì) Pizza 的泛型設(shè)計(jì)深感興趣，與 Martin 合作，一起合作開發(fā)的一個(gè)新的項(xiàng)目「Generic Java」。這個(gè)項(xiàng)目的目的是為了給 Java 增加泛型支持，但是不引入函數(shù)式編程等功能。最終成功在 Java5 中正式引入泛型支持。

泛型移植過程，一開始并不是朝著類型擦除的方向前進(jìn)，事實(shí) Pizza 中泛型更加類似于 C# 中的泛型。

但是由于 Java 自身特性，自帶嚴(yán)格的約束，讓 Martin 在Generic Java 開發(fā)過程中，不得不放棄了 Pizza 中泛型設(shè)計(jì)。

這個(gè)特性就是，Java 需要做到嚴(yán)格的向后兼容性。也就是說一個(gè)在 JDK1.2 編譯出來 Class 文件，不僅能在 JDK 1.2 能正常運(yùn)行，還得必須保證在后續(xù) JDK，比如 JDK12 中也能保證正常的運(yùn)行。

這種特性是明確寫入 Java 語言規(guī)范的，這是一個(gè)對(duì) Java 使用者的一個(gè)嚴(yán)肅承諾。

“這里強(qiáng)調(diào)一下，這里的向后兼容性指的是二進(jìn)制兼容性，并不是源碼兼容性。也不保證高版本的 Class 文件能夠運(yùn)行在低版本的 JDK 上。

現(xiàn)在困難點(diǎn)在于，Java 1.4.2 之前都沒有支持泛型，而 Java5 之后突然要支持泛型，還要讓 JDK1.4 之前編譯的程序能在新版本中正常運(yùn)行，這就意味著以前沒有的限制，就不能突然增加。

舉個(gè)例子：

ArrayList arrayList=new ArrayList(); 
arrayList.add("6666"); 
arrayList.add(Integer.valueOf(666));

沒有泛型之前， List 集合是可以存儲(chǔ)不同類型的數(shù)據(jù)，那么引入泛型之后，這段代碼必須的能正確運(yùn)行。

為了保證這些舊的 Clas 文件能在 Java5 之后正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)者基本有兩條路：

需要泛型化的容器(主要是容器類型)，以前有的保持不變，平行增加一套新的泛型化的版本。
直接把已有的類型原地泛型化，不增加任何新的已有類型的泛型版本。

如果 Java 采用第一條路實(shí)現(xiàn)方式，那么現(xiàn)在我們可能就會(huì)有兩套集合類型。以 ArrayList 為例,一套為普通的 java.util.ArrayList，一套可能為 java.util.generic.ArrayList。

采用這種方案之后，如果開發(fā)中需要使用泛型特性，那么直接使用新的類型。另外舊的代碼不改動(dòng)，也可以直接運(yùn)行在新版本 JDK 中。

這套方案看起來沒什么問題，實(shí)際上C# 就是采用這套方案。但是為什么 Java 卻沒有使用這套方案那?

這是因?yàn)楫?dāng)時(shí) C# 才發(fā)布兩年，歷史代碼并不多，如果舊代碼需要使用泛型特性，改造起來也很快。但是 Java 不一樣，當(dāng)時(shí) Java 已經(jīng)發(fā)布十年了，已經(jīng)有很多程序已經(jīng)運(yùn)行部署在生產(chǎn)環(huán)境，可以想象歷史代碼非常多。

如果這些應(yīng)用在新版本 Java 需要使用泛型，那就需要做大量源碼改動(dòng)，可以想象這個(gè)開發(fā)工作量。

另外 Java 5 之前，其實(shí)我們就已經(jīng)有了兩套集合容器，一套為 Vector/Hashtable 等容器，一套為 ArrayList/ HashMap。這兩套容器的存在，其實(shí)已經(jīng)引來一些不便，對(duì)于新接觸的 Java 的開發(fā)人員來說，還得學(xué)習(xí)這兩者的區(qū)別。

如果此時(shí)為了泛型再引入新類型，那么就會(huì)有四套容器同時(shí)并存。想想這個(gè)畫面，一個(gè)新接觸開發(fā)人員，面對(duì)四套容器，完全不知道如何下手選擇。如何 Java 真的這么實(shí)現(xiàn)了，想必會(huì)有更多人吐槽 Java。

所以 Java 選擇第二條路，采用類型擦除，只需要改動(dòng) Javac 編譯器，不需要改動(dòng)字節(jié)碼，不需要改動(dòng)虛擬機(jī)，也保證了之前歷史沒有泛型的代碼還可以在新的 JDK 中運(yùn)行。

但是第二條路，并不代表一定需要使用類型擦除實(shí)現(xiàn)，如果有足夠時(shí)間好好設(shè)計(jì)，也許會(huì)有更好的方案。

當(dāng)年留下的技術(shù)債，現(xiàn)在只能靠 Valhalla 項(xiàng)目來還了。這個(gè)項(xiàng)目從2014 年開始立項(xiàng)，原本計(jì)劃在 JDK10 中解決現(xiàn)有語言的各種缺陷。但是結(jié)果我們也知道了，現(xiàn)在都 JDK14 了，還只是完成少部分目標(biāo)，并沒有解決核心目標(biāo)，可見這個(gè)改動(dòng)的難度啊。

總結(jié)

本文我們先從 Java 泛型底層實(shí)現(xiàn)方式開始聊起，接著舉了幾個(gè)例子，讓大家了解現(xiàn)在泛型實(shí)現(xiàn)方式存在一些缺陷。

然后我們帶入 Java 泛型歷史背景，站在 Java 核心開發(fā)者的角度，才能了解 Java 泛型這么現(xiàn)實(shí)無奈原因。

最后作為 Java 開發(fā)者，讓我們對(duì)于現(xiàn)在 Java 一些不足，少些抱怨，多一些理解吧。相信之后 Java 核心開發(fā)人員肯定會(huì)解決泛型現(xiàn)有的缺陷，讓我們拭目以待。

幫助資料

https://www.zhihu.com/question/38940308

https://www.zhihu.com/question/28665443

https://hllvm-group.iteye.com/group/topic/25910

http://blog.zhaojie.me/2010/05/why-java-sucks-and-csharp-rocks-4-generics.html

http://blog.zhaojie.me/2010/04/why-java-sucks-and-csharp-rocks-2-primitive-types-and-object-orientation.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Generics_in_Java

https://www.zhihu.com/question/34621277/answer/59440954