2.6 Java泛型詳解

Java泛型是JDK5中引入的一個新特性，允許在定義類和接口的時候使用類型參數(type parameter)，聲明的類型參數在使用時用具體的類型來替換。泛型最主要的應用是在JDK5中的新集合類框架中。

2.6.1 類型擦除

首先我們看一下Java泛型中的類型擦除：在生成的Java字節碼中是不包含泛型的類型信息的，使用泛型的時候加上的類型參數在編譯的時候會被編譯器去掉，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（反射是可見的，具體可參見2.3中筆記），這一點和C++模板機制實現泛型有很大區別。

很多泛型的奇怪特性都與類型擦除有關，比如:

1. 泛型類并沒有自己獨有的Class類對象。比如并不存在List<String>.class或者List<Integer>.class，而只有List.class。
2. 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。
3. 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，一般是Object，如果指定了類型參數的上界的話，則是這個上界。然后把代碼中的類型參數都替換成該類。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。接下來就可能需要生成一些橋接方法(bridge method)，這是由于擦除了類型之后的類可能缺少某些必須的方法。比如考慮下面的代碼:

class MyString implements Comparable<String> {
    @Override
    public int compareTo(String str) {
        return 0;
    }
}

當類型信息被擦除之后，上述類的聲明變成了class MyString implements Comparable。但是這樣的話，類MyString就會有編譯錯誤，因為沒有實現接口Comparable聲明的int compareTo(Object)方法，這個時候就由編譯器來動態生成這個方法。

2.6.2 通配符與上下界

在使用泛型類的時候，既可以指定一個具體的類型，也可以用通配符?來表示未知類型，如List<?>就聲明了List中包含的元素類型是未知的。通配符所代表的其實是一組類型，但具體的類型是未知的。通配符分為三類：無界通配符、上界通配符和下界通配符。通配符本身比較復雜，我們會以集合為代表，以元素的添加和獲取為例簡要說明其用法。

無界通配符

“?”表示無界通配符，List<?>表示：List中存儲的元素的類型是未知的。

1. 添加元素，使用無界通配符時，由于類型不確定的（可以是任何類型），不可以向List<?>添加任何元素（除了null），因為如果它包含了String的話，往里面添加Integer顯然是錯誤的。那為什么不能添加Object引用，是因為Object引用可以指向子類實例，編譯期是無法獲知其具體類型，所以為了類型安全，其不可以添加任何元素（除了null）。
2. 獲取元素，List<?>中的元素只可以使用Object來引用，因為其元素肯定是Object及其子類引用。

事實上無界通配符通常會用在以下兩種情況：

1. 在業務邏輯與泛型類型無關，如List.size和List.clean等。實際上，最常用的就是Class<?>，因為Class<T>并沒有依賴于T。
2. 當方法參數是原始的Object類型，如下：

public static void printList(List<Object> list) {
    for (Object elem : list)
        System.out.println(elem + "");
}

//使用泛型類替換
public static void printList(List<?> list) {
    for (Object elem: list)
        System.out.print(elem + "");
}

這樣就可以兼容更多的輸出，而不單純是List<Object>，如下：

List<Integer> li = Arrays.asList(1, 2, 3);
List<String>  ls = Arrays.asList("one", "two", "three");
printList(li);
printList(ls);

上界通配符

“? extends Animal”表示通配符的上界是Animal，即“? extends Animal”可以代表Animal及其子類，不能代表Animal父類。
首先要闡明一點，上界通配符和下界通配符更多的是為了解決泛型不協變的問題。

1. 添加元素，使用上界通配符時，其類型仍然是不確定的（會是某個類型及其子類型），所以仍然不可以向List<？ extends Animal>添加任何元素（null除外），因為如果它包含了Cat的話，往里面添加Dog顯然是錯誤的，同樣不可以添加Object引用。
2. 獲取元素，List<? extends Animal>中的元素可以用Animal來引用的，因為其元素肯定是Animal及其子類引用。

而且引入了上界之后，在使用類型的時候就可以使用上界類中定義的方法，因為其中元素肯定是Animal類或其子類成員引用。

下界通配符

“? super Animal”表示通配符的下界是Animal，即“? super Animal”可以代表Animal及其父類，不能代表Animal子類。

1. 添加元素，使用下界通配符時，雖然類型仍然是不確定的（會是某個類型及其父類），但是此時可以向List<？ super Animal>添加Animal或者其子類型Dog元素，因為如果它包含了Animal的話，往里面添加Dog顯然是可以的，子類型可以替換父類型。
2. 獲取元素，List<? super Animal>中的元素只可以用Object來引用的，“? super Animal”可以代表Animal及其父類，所以只能通過Object來進行應用。

總結

PECS（Producer Extends Consumer Super）原則：頻繁往外讀取內容的，適合用上界Extends；經常往里插入的，適合用下界Super。

通配符是實參，通配符這些看起來很奇怪的特性原因在于：編譯器要保證類型安全，Object類型是所有類型的祖宗類型，而父類引用是可以引用子類對象的。

2.6.3 類型系統

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。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（前面說過數組是協變的），String[]可以替換Object[]。

而泛型的引入，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的繼承體系結構。前者是指對于List<String>和List<Object>這樣的情況，類型參數String是繼承自Object的。而后者是指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:

1. 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>是Collection<String>的子類型，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。
2. 當泛型類的類型聲明中使用了通配符的時候，其子類型可以在兩個維度上分別展開。如對Collection<? extends Number>來說，其子類型可以在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>等也都算是Collection<? extends Number>的子類型。
3. 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。

2.6.4 開發自己的泛型類

泛型類與一般的Java類基本相同，只是在類和接口定義上多出來了用<>聲明的類型參數。一個類可以有多個類型參數，如MyClass<X, Y, Z>。每個類型參數在聲明的時候可以指定上界。所聲明的類型參數在Java類中可以像一般的類型一樣作為方法的參數和返回值，或是作為域和局部變量的類型。但是由于類型擦除機制，類型參
數并不能用來創建對象或是作為靜態變量的類型。考慮下面的泛型類中的正確和錯誤的用法。

class ClassTest<X extends Number, Y, Z> {
    private X x; //正確用法
    private static Y y; //編譯錯誤,不能用在靜態變量中
    public X getFirst() { //正確用法
        return x;
    }
    public void wrong() {
        Z z = new Z(); //編譯錯誤,不能創建對象
    }
}

2.6.5 最佳實踐

在使用泛型的時候可以遵循一些基本的原則,從而避免一些常見的問題。

1. 在代碼中避免泛型類和原始類型的混用。比如List<String>和List不應該共同使用，這樣會產生一些編譯器警告和潛在的運行時異常。
2. 在使用帶通配符的泛型類的時候，需要明確通配符所代表的一組類型的概念。由于具體的類型是未知的，很多操作是不允許的。
3. 泛型類最好不要同數組一塊使用。你只能創建new List<?>[10]這樣的數組，無法創建new List<String>[10]這樣的。這限制了數組的使用能力，而且會帶來很多費解的問題。因此當需要類似數組的功能時候，使用集合類即可。