帶你深挖Java泛型類型擦除以及類型擦除帶來的問題

2020 年 2 月 13 日
筆記

1.Java泛型的實現方法：類型擦除

大家都知道，Java的泛型是偽泛型，這是因為Java在編譯期間，所有的泛型信息都會被擦掉，正確理解泛型概念的首要前提是理解類型擦除。Java的泛型基本上都是在編譯器這個層次上實現的，在生成的位元組碼中是不包含泛型中的類型信息的，使用泛型的時候加上類型參數，在編譯器編譯的時候會去掉，這個過程成為類型擦除。

如在代碼中定義List<Object>和List<String>等類型，在編譯後都會變成List，JVM看到的只是List，而由泛型附加的類型信息對JVM是看不到的。Java編譯器會在編譯時儘可能的發現可能出錯的地方，但是仍然無法在運行時刻出現的類型轉換異常的情況，類型擦除也是Java的泛型與C++模板機制實現方式之間的重要區別。

1-2.通過兩個例子證明Java類型的類型擦除

例1.原始類型相等

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);            System.out.println(list1.getClass() == list2.getClass());      }    }

在這個例子中，我們定義了兩個ArrayList數組，不過一個是ArrayList<String>泛型類型的，只能存儲字符串；一個是ArrayList<Integer>泛型類型的，只能存儲整數，最後，我們通過list1對象和list2對象的getClass()方法獲取他們的類的信息，最後發現結果為true。說明泛型類型String和Integer都被擦除掉了，只剩下原始類型。

例2.通過反射添加其它類型元素

public class Test {        public static void main(String[] args) throws Exception {            ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();            list.add(1);  //這樣調用 add 方法只能存儲整形，因為泛型類型的實例為 Integer            list.getClass().getMethod("add", Object.class).invoke(list, "asd");            for (int i = 0; i < list.size(); i++) {              System.out.println(list.get(i));          }      }    }

在程序中定義了一個ArrayList泛型類型實例化為Integer對象，如果直接調用add()方法，那麼只能存儲整數數據，不過當我們利用反射調用add()方法的時候，卻可以存儲字符串，這說明了Integer泛型實例在編譯之後被擦除掉了，只保留了原始類型。

2.類型擦除後保留的原始類型

在上面，兩次提到了原始類型，什麼是原始類型？

原始類型就是擦除去了泛型信息，最後在位元組碼中的類型變量的真正類型，無論何時定義一個泛型，相應的原始類型都會被自動提供，類型變量擦除，並使用其限定類型（無限定的變量用Object）替換。

例3.原始類型Object

class Pair<T> {      private T value;      public T getValue() {          return value;      }      public void setValue(T  value) {          this.value = value;      }  }

Pair的原始類型為:

class Pair {      private Object value;      public Object getValue() {          return value;      }      public void setValue(Object  value) {          this.value = value;      }  }

因為在Pair<T>中，T 是一個無限定的類型變量，所以用Object替換，其結果就是一個普通的類，如同泛型加入Java語言之前的已經實現的樣子。在程序中可以包含不同類型的Pair，如Pair<String>或Pair<Integer>，但是擦除類型後他們的就成為原始的Pair類型了，原始類型都是Object。

從上面的例2中，我們也可以明白ArrayList被擦除類型後，原始類型也變為Object，所以通過反射我們就可以存儲字符串了。

如果類型變量有限定，那麼原始類型就用第一個邊界的類型變量類替換。

比如: Pair這樣聲明的話

public class Pair<T extends Comparable> {}

那麼原始類型就是Comparable。

要區分原始類型和泛型變量的類型。

在調用泛型方法時，可以指定泛型，也可以不指定泛型。

在不指定泛型的情況下，泛型變量的類型為該方法中的幾種類型的同一父類的最小級，直到Object
在指定泛型的情況下，該方法的幾種類型必須是該泛型的實例的類型或者其子類

public class Test {      public static void main(String[] args) {            /**不指定泛型的時候*/          int i = Test.add(1, 2); //這兩個參數都是Integer，所以T為Integer類型          Number f = Test.add(1, 1.2); //這兩個參數一個是Integer，以風格是Float，所以取同一父類的最小級，為Number          Object o = Test.add(1, "asd"); //這兩個參數一個是Integer，以風格是Float，所以取同一父類的最小級，為Object            /**指定泛型的時候*/          int a = Test.<Integer>add(1, 2); //指定了Integer，所以只能為Integer類型或者其子類          int b = Test.<Integer>add(1, 2.2); //編譯錯誤，指定了Integer，不能為Float          Number c = Test.<Number>add(1, 2.2); //指定為Number，所以可以為Integer和Float      }        //這是一個簡單的泛型方法      public static <T> T add(T x,T y){          return y;      }  }

其實在泛型類中，不指定泛型的時候，也差不多，只不過這個時候的泛型為Object，就比如ArrayList中，如果不指定泛型，那麼這個ArrayList可以存儲任意的對象。

例4.Object泛型

public static void main(String[] args) {      ArrayList list = new ArrayList();      list.add(1);      list.add("121");      list.add(new Date());  }

3.類型擦除引起的問題及解決方法

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問題，但是也引起來許多新問題，所以，SUN對這些問題做出了種種限制，避免我們發生各種錯誤。

3-1.先檢查，再編譯以及編譯的對象和引用傳遞問題

Q: 既然說類型變量會在編譯的時候擦除掉，那為什麼我們往 ArrayList 創建的對象中添加整數會報錯呢？不是說泛型變量String會在編譯的時候變為Object類型嗎？為什麼不能存別的類型呢？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？

A: Java編譯器是通過先檢查代碼中泛型的類型，然後在進行類型擦除，再進行編譯。

例如：

public static  void main(String[] args) {        ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();      list.add("123");      list.add(123);//編譯錯誤  }

在上面的程序中，使用add方法添加一個整型，在IDE中，直接會報錯，說明這就是在編譯之前的檢查，因為如果是在編譯之後檢查，類型擦除後，原始類型為Object，是應該允許任意引用類型添加的。可實際上卻不是這樣的，這恰恰說明了關於泛型變量的使用，是會在編譯之前檢查的。

那麼，這個類型檢查是針對誰的呢？我們先看看參數化類型和原始類型的兼容。

以 ArrayList舉例子，以前的寫法:

ArrayList list = new ArrayList();

現在的寫法:

ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();

如果是與以前的代碼兼容，各種引用傳值之間，必然會出現如下的情況：

ArrayList<String> list1 = new ArrayList(); //第一種 情況  ArrayList list2 = new ArrayList<String>(); //第二種 情況

這樣是沒有錯誤的，不過會有個編譯時警告。

不過在第一種情況，可以實現與完全使用泛型參數一樣的效果，第二種則沒有效果。

因為類型檢查就是編譯時完成的，new ArrayList()只是在內存中開闢了一個存儲空間，可以存儲任何類型對象，而真正設計類型檢查的是它的引用，因為我們是使用它引用list1來調用它的方法，比如說調用add方法，所以list1引用能完成泛型類型的檢查。而引用list2沒有使用泛型，所以不行。

舉例子：

public class Test {        public static void main(String[] args) {            ArrayList<String> list1 = new ArrayList();          list1.add("1"); //編譯通過          list1.add(1); //編譯錯誤          String str1 = list1.get(0); //返回類型就是String            ArrayList list2 = new ArrayList<String>();          list2.add("1"); //編譯通過          list2.add(1); //編譯通過          Object object = list2.get(0); //返回類型就是Object            new ArrayList<String>().add("11"); //編譯通過          new ArrayList<String>().add(22); //編譯錯誤            String str2 = new ArrayList<String>().get(0); //返回類型就是String      }    }

通過上面的例子，我們可以明白，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。

泛型中參數話類型為什麼不考慮繼承關係？

在Java中，像下面形式的引用傳遞是不允許的:

ArrayList<String> list1 = new ArrayList<Object>(); //編譯錯誤  ArrayList<Object> list2 = new ArrayList<String>(); //編譯錯誤

我們先看第一種情況，將第一種情況拓展成下面的形式：

ArrayList<Object> list1 = new ArrayList<Object>();  list1.add(new Object());  list1.add(new Object());  ArrayList<String> list2 = list1; //編譯錯誤

實際上，在第4行代碼的時候，就會有編譯錯誤。那麼，我們先假設它編譯沒錯。那麼當我們使用list2引用用get()方法取值的時候，返回的都是String類型的對象（上面提到了，類型檢測是根據引用來決定的），可是它裏面實際上已經被我們存放了Object類型的對象，這樣就會有ClassCastException了。所以為了避免這種極易出現的錯誤，Java不允許進行這樣的引用傳遞。（這也是泛型出現的原因，就是為了解決類型轉換的問題，我們不能違背它的初衷）。

再看第二種情況，將第二種情況拓展成下面的形式：

ArrayList<String> list1 = new ArrayList<String>();  list1.add(new String());  list1.add(new String());    ArrayList<Object> list2 = list1; //編譯錯誤

沒錯，這樣的情況比第一種情況好的多，最起碼，在我們用list2取值的時候不會出現ClassCastException，因為是從String轉換為Object。可是，這樣做有什麼意義呢，泛型出現的原因，就是為了解決類型轉換的問題。

我們使用了泛型，到頭來，還是要自己強轉，違背了泛型設計的初衷。所以java不允許這麼干。再說，你如果又用list2往裏面add()新的對象，那麼到時候取得時候，我怎麼知道我取出來的到底是String類型的，還是Object類型的呢？

所以，要格外注意，泛型中的引用傳遞的問題。

3-2.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最後都會被替換為原始類型。

既然都被替換為原始類型，那麼為什麼我們在獲取的時候，不需要進行強制類型轉換呢？

看下ArrayList.get()方法：

public E get(int index) {        RangeCheck(index);        return (E) elementData[index];    }

可以看到，在return之前，會根據泛型變量進行強轉。假設泛型類型變量為Date，雖然泛型信息會被擦除掉，但是會將(E) elementData[index]，編譯為(Date)elementData[index]。所以我們不用自己進行強轉。當存取一個泛型域時也會自動插入強制類型轉換。假設Pair類的value域是public的，那麼表達式：

Date date = pair.value;

也會自動地在結果位元組碼中插入強制類型轉換。

3-3.類型擦除與多態的衝突和解決方法

現在有這樣一個泛型類：

class Pair<T> {        private T value;        public T getValue() {          return value;      }        public void setValue(T value) {          this.value = value;      }  }

然後我們想要一個子類繼承它。

class DateInter extends Pair<Date> {        @Override      public void setValue(Date value) {          super.setValue(value);      }        @Override      public Date getValue() {          return super.getValue();      }  }

在這個子類中，我們設定父類的泛型類型為Pair<Date>，在子類中，我們覆蓋了父類的兩個方法，我們的原意是這樣的：將父類的泛型類型限定為Date，那麼父類裏面的兩個方法的參數都為Date類型。

public Date getValue() {      return value;  }    public void setValue(Date value) {      this.value = value;  }

所以，我們在子類中重寫這兩個方法一點問題也沒有，實際上，從他們的@Override標籤中也可以看到，一點問題也沒有，實際上是這樣的嗎？

分析：實際上，類型擦除後，父類的的泛型類型全部變為了原始類型Object，所以父類編譯之後會變成下面的樣子：

class Pair {      private Object value;        public Object getValue() {          return value;      }        public void setValue(Object  value) {          this.value = value;      }  }

再看子類的兩個重寫的方法的類型：

@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係中，根本就不會是重寫，而是重載。我們在一個main方法測試一下：

public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {          DateInter dateInter = new DateInter();          dateInter.setValue(new Date());          dateInter.setValue(new Object()); //編譯錯誤  }

如果是重載，那麼子類中兩個setValue方法，一個是參數Object類型，一個是Date類型，可是我們發現，根本就沒有這樣的一個子類繼承自父類的Object類型參數的方法。所以說，卻是是重寫了，而不是重載了。

為什麼會這樣呢？

原因是這樣的，我們傳入父類的泛型類型是Date，Pair<Date>，我們的本意是將泛型類變為如下：

class Pair {      private Date value;      public Date getValue() {          return value;      }      public void setValue(Date value) {          this.value = value;      }  }

然後再子類中重寫參數類型為Date的那兩個方法，實現繼承中的多態。

可是由於種種原因，虛擬機並不能將泛型類型變為Date，只能將類型擦除掉，變為原始類型Object。這樣，我們的本意是進行重寫，實現多態。可是類型擦除後，只能變為了重載。這樣，類型擦除就和多態有了衝突。JVM知道你的本意嗎？知道！！！可是它能直接實現嗎，不能！！！如果真的不能的話，那我們怎麼去重寫我們想要的Date類型參數的方法啊。

於是JVM採用了一個特殊的方法，來完成這項功能，那就是橋方法。

首先，我們用javap -c className的方式反編譯下DateInter子類的位元組碼，結果如下：

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."<init>":()V         4: return      public void setValue(java.util.Date);  //我們重寫的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();    //我們重寫的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();     //編譯時由編譯器生成的巧方法      Code:         0: aload_0         1: invokevirtual #28                 // Method getValue:()Ljava/util/Date 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巧方法      Code:         0: aload_0         1: aload_1         2: checkcast     #26                 // class java/util/Date         5: invokevirtual #30                 // Method setValue:(Ljava/util/Date; 去調用我們重寫的setValue方法)V         8: return  }

從編譯的結果來看，我們本意重寫setValue和getValue方法的子類，竟然有4個方法，其實不用驚奇，最後的兩個方法，就是編譯器自己生成的橋方法。可以看到橋方法的參數類型都是Object，也就是說，子類中真正覆蓋父類兩個方法的就是這兩個我們看不到的橋方法。而打在我們自己定義的setvalue和getValue方法上面的@Oveerride只不過是假象。而橋方法的內部實現，就只是去調用我們自己重寫的那兩個方法。

所以，虛擬機巧妙的使用了橋方法，來解決了類型擦除和多態的衝突。

不過，要提到一點，這裏面的setValue和getValue這兩個橋方法的意義又有不同。

setValue方法是為了解決類型擦除與多態之間的衝突。

而getValue卻有普遍的意義，怎麼說呢，如果這是一個普通的繼承關係：

那麼父類的setValue方法如下：

public ObjectgetValue() {      return super.getValue();  }

而子類重寫的方法是：

public Date getValue() {      return super.getValue();  }

其實這在普通的類繼承中也是普遍存在的重寫，這就是協變。

關於協變：。。。。。。

並且，還有一點也許會有疑問，子類中的巧方法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，然後交給虛擬器去區別。

3-4.泛型類型變量不能是基本數據類型

不能用類型參數替換基本類型。就比如，沒有ArrayList<double>，只有ArrayList<Double>。因為當類型擦除後，ArrayList的原始類型變為Object，但是Object類型不能存儲double值，只能引用Double的值。

3-5.運行時類型查詢

ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>();

因為類型擦除之後，ArrayList只剩下原始類型，泛型信息String不存在了。

那麼，運行時進行類型查詢的時候使用下面的方法是錯誤的

if( arrayList instanceof ArrayList<String>)

3-6.泛型在靜態方法和靜態類中的問題

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

舉例說明：

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。

但是要注意區分下面的一種情況：

public class Test2<T> {        public static <T >T show(T one){ //這是正確的          return null;      }  }

因為這是一個泛型方法，在泛型方法中使用的T是自己在方法中定義的 T，而不是泛型類中的T。

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