Java 泛型詳解
本文部分摘自 On Java 8
概述
在 Java5 以前，普通的類和方法只能使用特定的類型：基本數據類型或類類型，如果編寫的代碼需要應用於多種類型，這種嚴苛的限制對代碼的束縛就會很大
Java5 的一個重大變化就是引入泛型，泛型實現了參數化類型，使得你編寫的組件（通常是集合）可以適用於多種類型。泛型的初衷是通過解耦類或方法與所使用的類型之間的約束，使得類或方法具備最寬泛的表達力。然而很快你就會發現，Java 中的泛型並沒有你想的那麼完美，甚至存在一些令人迷惑的實現
泛型類
促成泛型出現的最主要動機之一就是為了創建集合類，集合用於存放要使用到的對象。現有一個只能持有單個對象的類：
class Automobile {}
public class Holder1 {
private Automobile a;
public Holder1(Automobile a) { this.a = a; }
Automobile get() { return a; }
}
如果沒有泛型，那麼就必須明確指定其持有的對象的類型，會導致該復用性不高，它無法持有其他類型的對象，我們當然不希望為每個類型都編寫一個新類
在 Java5 以前，為了解決這個問題，我們可以讓這個類直接持有 Object 類型的對象，這樣就可以持有多種不同類型的對象了。但通常而言，我們只會用集合存儲同一類型的對象。泛型的主要目的之一就是用來約定集合要存儲什麼類型的對象，並且通過編譯器確保規約得以滿足
所以，與其使用 Object，我們更希望先指定一個類型佔位符，稍後再決定具體使用什麼類型。由此我們需要使用類型參數，用尖括號括住，放在類名後面。然後在使用這個類時，再用實際的類型替換此類型參數
public class GenericHolder<T> {
private T a;
public GenericHolder() {}
public void set(T a) { this.a = a; }
public T get() { return a; }
public static void main(String[] args) {
// 在 Java7 中右邊的尖括號可以為空
GenericHolder<Automobile> h2 = new GenericHolder<Automobile>();
GenericHolder<Automobile> h3 = new GenericHolder<>();
h3.set(new Automobile()); // 此處有類型校驗
Automobile a = h3.get(); // 無需類型轉換
//- h3.set("Not an Automobile"); // 報錯
}
}
元組類庫
有時一個方法需要能返回多個對象，而 return語句只能返回單個對象，解決的方法就是創建一個對象，用它來打包想要返回的多個對象。元組的概念正是基於此，元組將一組對象直接打包存儲於單一對象中，可以從該對象讀取其中元素，卻不允許向其中存儲新對象（這個概念也稱數據傳輸對象或信使）
元組可以具有任意長度，元組中的對象可以是不同類型的，我們希望能為每個對象指明類型，這時泛型就派上用場了。例如下面是一個可以存儲兩個對象的元組：
public class Tuple<A, B> {
public final A a1;
public final B a2;
public Tuple(A a, B b) { a1 = a; a2 = b; }
public String rep() { return a1 + ", " + a2; }
@Override
public String toString() {
return "(" + rep() + ")";
}
}
使用 final 修飾成員變量可以保證其不被修改，如果用戶想存儲不同的元素，那麼就必須創建新的 Tuple 對象。當然也可以允許用戶重新對 a1、a2 賦值，但無疑前一種形式會更加安全
利用繼承機制可以實現長度更長的元組：
public class Tuple3<A, B, C> extends Tuple2<A, B> {
public final C a3;
public Tuple3(A a, B b, C c) {
super(a, b);
a3 = c;
}
@Override
public String rep() {
return super.rep() + ", " + a3;
}
}
泛型方法
到目前為止，我們已經研究了參數化整個類，其實還可以參數化類中的方法。類本身是否是泛型，與它的方法是否是泛型並沒有什麼直接關係。我們應該儘可能使用泛型方法，通常將單個方法泛型化要比將整個類泛型化要更加清晰易懂
要定義泛型方法，請將泛型參數列表放置在返回值之前：
public class GenericMethods {
public <T> void f(T x) {
System.out.println(x.getClass().getName());
}
public static void main(String[] args) {
GenericMethods gm = new GenericMethods();
gm.f("");
gm.f(1);
gm.f(1.0);
gm.f(1.0F);
gm.f('c');
gm.f(gm);
}
}
使用泛型方法時，通常不需要指定參數類型，因為編譯器會找出這些類型，這稱為類型參數推斷，因此，對 f() 的調用看起來像普通的方法調用，而且像是被重載了無數次一樣
泛型擦除
當你開始深入研究泛型時，你會發現一個殘酷的現實：在泛型代碼內部，無法獲取任何有關泛型參數類型的信息
class Frob {}
class Fnorkle {}
class Quark<Q> {}
class Particle<POSITION, MOMENTUM> {}
public class LostInformation {
public static void main(String[] args) {
List<Frob> list = new ArrayList<>();
Map<Frob, Fnorkle> map = new HashMap<>();
Quark<Fnorkle> quark = new Quark<>();
Particle<Long, Double> p = new Particle<>();
System.out.println(Arrays.toString(list.getClass().getTypeParameters()));
System.out.println(Arrays.toString(map.getClass().getTypeParameters()));
System.out.println(Arrays.toString(quark.getClass().getTypeParameters()));
System.out.println(Arrays.toString(p.getClass().getTypeParameters()));
}
}
/* Output:
[E]
[K,V]
[Q]
[POSITION,MOMENTUM]
*/
正如上例中輸出所示，你只能看到用作參數佔位符的標識符，這並非有用的信息。Java 泛型是使用擦除實現的，這意味着當你在使用泛型時，任何具體的類型信息都被擦除了，你唯一知道的就是你在使用一個對象。因此 List<String> 和 List 在運行時實際上是相同的類型，它們都被擦除成原生類型 List
再來看一個例子：
class Manipulator<T> {
private T obj;
Manipulator(T x) {
obj = x;
}
// Error: cannot find symbol: method f():
public void manipulate() {
obj.f();
}
}
public class Manipulation {
public static void main(String[] args) {
HasF hf = new HasF();
Manipulator<HasF> manipulator = new Manipulator<>(hf);
manipulator.manipulate();
}
}
因為擦除，Java 編譯器無法將 manipulate() 方法能調用 obj 的 f() 方法這一需求映射到 HasF 具有 f() 方法這個事實上。為了調用 f()，我們必須協助泛型類，為泛型類給定一個邊界，以此告訴編譯器只能接受遵循這個邊界的類型。這裡重用了 extends 關鍵字。由於有了邊界，下面的代碼就能通過編譯：
public class Manipulator2<T extends HasF> {
private T obj;
Manipulator2(T x) {
obj = x;
}
public void manipulate() {
obj.f();
}
}
邊界 <T extends HasF> 聲明 T 必須是 HasF 類型或其子類。如果情況確實如此，就可以安全地在 obj 上調用 f() 方法。泛型類型參數會擦除到它的第一個邊界（可能有多個邊界，稍後你將看到）。我們還提到了類型參數的擦除。編譯器實際上會把類型參數替換為它的擦除，就像上面的示例，T 擦除到了 HasF，就像在類的聲明中用 HasF 替換了 T 一樣。如果我們願意，完全可以把上例的 T 替換成 HashF，效果也是一樣的，那麼泛型的意義又何在呢？
這提出了很重要的一點：泛型只有在類型參數比某個具體類型（以及其子類）更加「泛化」，代碼能跨多個類工作時才有用。因此，使用類型參數通常比簡單的聲明類更加複雜。但是，不能因此認為使用 <T extends HasF> 形式就是有缺陷的。你必須查看所有的代碼，從而確定代碼是否複雜到必須使用泛型的程度
有關泛型擦除的困惑，其實是 Java 為實現泛型的一種妥協，因為泛型並不是 Java 語言出現時就有的。擦除減少了泛型的泛化性，泛型類型只有在靜態類型檢測期間才出現，在此之後，程序中的所有泛型類型都將被擦除，替換為它們的非泛型上界。例如， List<T> 這樣的類型註解會被擦除為 List，普通的類型變量在未指定邊界的情況下會被擦除為 Object
在 Java5 以前編寫的類庫是沒有使用泛型的，而作者可能打算重新用泛型編寫，或者根本不打算這樣做。Java 設計者們既要保證舊代碼和類文件依然合法，還得考慮當某個類庫變為泛型時，不會破壞依賴於它的代碼和應用。Java 設計者們最終認為泛型是唯一可行的解決方案，擦除使得向泛型的遷移成為可能，為了實現非泛型的代碼和泛型代碼共存，必須將某個類庫使用了泛型這樣的「證據」擦除
基於上述觀點，當你在編寫泛型代碼時，必須時刻提醒自己，你只是看起來擁有有關參數的類型信息而言。因為擦除，我們無法在運行時知道確切的類型，為了補償擦除帶來的弊端，我們可以為所需的類型顯示傳遞一個 Class 對象，以在類型表達式中使用它
class Building {
}
class House extends Building {
}
public class ClassTypeCapture<T> {
Class<T> kind;
public ClassTypeCapture(Class<T> kind) {
this.kind = kind;
}
public boolean f(Object arg) {
return kind.isInstance(arg);
}
public static void main(String[] args) {
ClassTypeCapture<Building> ctt1 =
new ClassTypeCapture<>(Building.class);
System.out.println(ctt1.f(new Building()));
System.out.println(ctt1.f(new House()));
ClassTypeCapture<House> ctt2 =
new ClassTypeCapture<>(House.class);
System.out.println(ctt2.f(new Building()));
System.out.println(ctt2.f(new House()));
}
}
邊界和通配符
由於擦除會刪除類型信息，因此唯一可用於無限制泛型參數的方法是那些 Object 可用的方法。邊界允許我們對泛型使用的參數類型施以類型，將參數限制為某類型的子集，那麼就可以調用該子集中的方法。為了應用約束，Java 泛型使用了 extends 關鍵字
class Coord {
public int x, y, z;
}
interface Weight {
int weight();
}
class Solid<T extends Coord & Weight> {
T item;
Solid(T item) {
this.item = item;
}
T getItem() {
return item;
}
int getX() {
return item.x;
}
int getY() {
return item.y;
}
int getZ() {
return item.z;
}
int weight() {
return item.weight();
}
}
class Bounded
extends Coord implements Weight {
@Override
public int weight() {
return 0;
}
}
public class BasicBounds {
public static void main(String[] args) {
Solid<Bounded> solid =
new Solid<>(new Bounded());
solid.getY();
solid.weight();
}
}
引入通配符可以在泛型實例化時更加靈活地控制，也可以在方法中控制方法的參數，具體語法如下：
- ? extends T：表示 T 或 T 的子類
- ? super T：表示 T 或 T 的父類
- ?：表示可以是任意類型
值得注意的問題
在這裡主要闡述在使用 Java 泛型時會出現的各類問題
1. 任何基本數據類型不能作為類型參數
Java 泛型的限制之一是不能將基本類型用作類型參數。因此，不能創建 ArrayList<int> 之類的東西。 解決方法是使用基本類型的包裝器類以及自動裝箱機制。如果創建一個 ArrayList<Integer>，並將基本類型 int 應用於這個集合，那麼你將發現自動裝箱機制將自動地實現 int 到 Integer 的雙向轉換，這幾乎就像是有一個 ArrayList<int> 一樣
2. 實現參數化接口
一個類不能實現同一個泛型接口的兩種變體，由於擦除的原因，這兩個變體會成為相同的接口。下面是產生這種衝突的情況：
interface Payable<T> {}
class Employee implements Payable<Employee> {}
class Hourly extends Employee implements Payable<Hourly> {}
Hourly 不能編譯，因為擦除會將 Payable<Employe> 和 Payable<Hourly> 簡化為相同的類 Payable，這樣，上面的代碼就意味着在重複兩次地實現相同的接口。十分有趣的是，如果從 Payable 的兩種用法中都移除掉泛型參數（就像編譯器在擦除階段所做的那樣）這段代碼就可以編譯
3. 轉型和警告
使用帶有泛型類型參數的轉型不會有任何效果，例如：
class Storage<T> {
private Object obj;
Storage() {
obj = new Object();
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public T pop() {
return (T)obj;
}
}
public class GenericCast {
public static void main(String[] args) {
Storage<String> storage = new Storage<>();
System.out.println(storage.pop());
}
}
如果沒有 @SuppressWarnings 註解，編譯器將對 pop() 產生 「unchecked cast」 警告。由於擦除的原因，編譯器無法知道這個轉型是否是安全的，並且 pop() 方法實際上並沒有執行任何轉型。 這是因為，T 被擦除到它的第一個邊界，默認情況下是 Object，因此 pop() 實際上只是將 Object 轉型為 Object
4. 重載
下面的程序是不能編譯的，因為擦除，所以重載方法產生了相同的類型簽名
public class UseList<W, T> {
void f(List<T> v) {}
void f(List<W> v) {}
}
