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引言

泛型是Java中一個非常重要的知識點，在Java集合類框架中泛型被廣泛應用。本文我們將從零開始來看一下Java泛型的設計，將會涉及到通配符處理，以及讓人苦惱的類型擦除。

泛型基礎

泛型類

我們首先定義一個簡單的Box類：

public class Box {
    private String object;
    public void set(String object) { this.object = object; }
    public String get() { return object; }
}

這是最常見的做法，這樣做的一個壞處是Box裏面現在只能裝入String類型的元素，今後如果我們需要裝入Integer等其他類型的元素，還必須要另外重寫一個Box，代碼得不到複用，使用泛型可以很好的解決這個問題。

public class Box<T> {
    // T stands for "Type"
    private T t;
    public void set(T t) { this.t = t; }
    public T get() { return t; }
}

這樣我們的Box類便可以得到複用，我們可以將T替換成任何我們想要的類型：

Box<Integer> integerBox = new Box<Integer>();
Box<Double> doubleBox = new Box<Double>();
Box<String> stringBox = new Box<String>();

泛型方法

看完了泛型類，接下來我們來了解一下泛型方法。聲明一個泛型方法很簡單，只要在返回類型前面加上一個類似<K, V>的形式就行了：

public class Util {
    public static <K, V> boolean compare(Pair<K, V> p1, Pair<K, V> p2) {
        return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
               p1.getValue().equals(p2.getValue());
    }
}
public class Pair<K, V> {
    private K key;
    private V value;
    public Pair(K key, V value) {
        this.key = key;
        this.value = value;
    }
    public void setKey(K key) { this.key = key; }
    public void setValue(V value) { this.value = value; }
    public K getKey()   { return key; }
    public V getValue() { return value; }
}

我們可以像下面這樣去調用泛型方法：

Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.<Integer, String>compare(p1, p2);

或者在Java1.7/1.8利用type inference，讓Java自動推導出相應的類型參數：

Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.compare(p1, p2);

邊界符

現在我們要實現這樣一個功能，查找一個泛型數組中大於某個特定元素的個數，我們可以這樣實現：

public static <T> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
    int count = 0;
    for (T e : anArray)
        if (e > elem)  // compiler error
            ++count;
    return count;
}

但是這樣很明顯是錯誤的，因爲除了short, int, double, long, float, byte, char等原始類型，其他的類並不一定能使用操作符>，所以編譯器報錯，那怎麼解決這個問題呢？答案是使用邊界符。

public interface Comparable<T> {
    public int compareTo(T o);
}

做一個類似於下面這樣的聲明，這樣就等於告訴編譯器類型參數T代表的都是實現了Comparable接口的類，這樣等於告訴編譯器它們都至少實現了compareTo方法。

public static <T extends Comparable<T>> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
    int count = 0;
    for (T e : anArray)
        if (e.compareTo(elem) > 0)
            ++count;
    return count;
}

通配符

在瞭解通配符之前，我們首先必須要澄清一個概念，還是借用我們上面定義的Box類，假設我們添加一個這樣的方法：

1	`public` `void` `boxTest(Box<Number> n) {` `/* ... */` `}`

那麼現在Box<Number> n允許接受什麼類型的參數？我們是否能夠傳入Box<Integer>或者Box<Double>呢？答案是否定的，雖然Integer和Double是Number的子類，但是在泛型中Box<Integer>或者Box<Double>與Box<Number>之間並沒有任何的關係。這一點非常重要，接下來我們通過一個完整的例子來加深一下理解。

首先我們先定義幾個簡單的類，下面我們將用到它：

class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}
class Orange extends Fruit {}

下面這個例子中，我們創建了一個泛型類Reader，然後在f1()中當我們嘗試Fruit f = fruitReader.readExact(apples);編譯器會報錯，因爲List<Fruit>與List<Apple>之間並沒有任何的關係。

public class GenericReading {
    static List<Apple> apples = Arrays.asList(new Apple());
    static List<Fruit> fruit = Arrays.asList(new Fruit());
    static class Reader<T> {
        T readExact(List<T> list) {
            return list.get(0);
        }
    }
    static void f1() {
        Reader<Fruit> fruitReader = new Reader<Fruit>();
        // Errors: List<Fruit> cannot be applied to List<Apple>.
        // Fruit f = fruitReader.readExact(apples);
    }
    public static void main(String[] args) {
        f1();
    }
}

但是按照我們通常的思維習慣，Apple和Fruit之間肯定是存在聯繫，然而編譯器卻無法識別，那怎麼在泛型代碼中解決這個問題呢？我們可以通過使用通配符來解決這個問題：

static class CovariantReader<T> {
    T readCovariant(List<? extends T> list) {
        return list.get(0);
    }
}
static void f2() {
    CovariantReader<Fruit> fruitReader = new CovariantReader<Fruit>();
    Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);
    Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);
}
public static void main(String[] args) {
    f2();
}

這樣就相當與告訴編譯器， fruitReader的readCovariant方法接受的參數只要是滿足Fruit的子類就行(包括Fruit自身)，這樣子類和父類之間的關係也就關聯上了。

PECS原則

上面我們看到了類似<? extends T>的用法，利用它我們可以從list裏面get元素，那麼我們可不可以往list裏面add元素呢？我們來嘗試一下：

public class GenericsAndCovariance {
    public static void main(String[] args) {
        // Wildcards allow covariance:
        List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
        // Compile Error: can't add any type of object:
        // flist.add(new Apple())
        // flist.add(new Orange())
        // flist.add(new Fruit())
        // flist.add(new Object())
        flist.add(null); // Legal but uninteresting
        // We Know that it returns at least Fruit:
        Fruit f = flist.get(0);
    }
}

答案是否定，Java編譯器不允許我們這樣做，爲什麼呢？對於這個問題我們不妨從編譯器的角度去考慮。因爲List<? extends Fruit> flist它自身可以有多種含義：

List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Fruit>();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Orange>();

當我們嘗試add一個Apple的時候，flist可能指向new ArrayList<Orange>();
當我們嘗試add一個Orange的時候，flist可能指向new ArrayList<Apple>();
當我們嘗試add一個Fruit的時候，這個Fruit可以是任何類型的Fruit，而flist可能只想某種特定類型的Fruit，編譯器無法識別所以會報錯。

所以對於實現了<? extends T>的集合類只能將它視爲Producer向外提供(get)元素，而不能作爲Consumer來對外獲取(add)元素。

如果我們要add元素應該怎麼做呢？可以使用<? super T>：

public class GenericWriting {
    static List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>();
    static List<Fruit> fruit = new ArrayList<Fruit>();
    static <T> void writeExact(List<T> list, T item) {
        list.add(item);
    }
    static void f1() {
        writeExact(apples, new Apple());
        writeExact(fruit, new Apple());
    }
    static <T> void writeWithWildcard(List<? super T> list, T item) {
        list.add(item)
    }
    static void f2() {
        writeWithWildcard(apples, new Apple());
        writeWithWildcard(fruit, new Apple());
    }
    public static void main(String[] args) {
        f1(); f2();
    }
}

這樣我們可以往容器裏面添加元素了，但是使用super的壞處是以後不能get容器裏面的元素了，原因很簡單，我們繼續從編譯器的角度考慮這個問題，對於List<? super Apple> list，它可以有下面幾種含義：

List<? super Apple> list = new ArrayList<Apple>();
List<? super Apple> list = new ArrayList<Fruit>();
List<? super Apple> list = new ArrayList<Object>();

當我們嘗試通過list來get一個Apple的時候，可能會get得到一個Fruit，這個Fruit可以是Orange等其他類型的Fruit。

根據上面的例子，我們可以總結出一條規律，”Producer Extends, Consumer Super”：

“Producer Extends” – 如果你需要一個只讀List，用它來produce T，那麼使用? extends T。
“Consumer Super” – 如果你需要一個只寫List，用它來consume T，那麼使用? super T。
如果需要同時讀取以及寫入，那麼我們就不能使用通配符了。

如何閱讀過一些Java集合類的源碼，可以發現通常我們會將兩者結合起來一起用，比如像下面這樣：

public class Collections {
    public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
        for (int i=0; i<src.size(); i++)
            dest.set(i, src.get(i));
    }
}

類型擦除

Java泛型中最令人苦惱的地方或許就是類型擦除了，特別是對於有C++經驗的程序員。類型擦除就是說Java泛型只能用於在編譯期間的靜態類型檢查，然後編譯器生成的代碼會擦除相應的類型信息，這樣到了運行期間實際上JVM根本就知道泛型所代表的具體類型。這樣做的目的是因爲Java泛型是1.5之後才被引入的，爲了保持向下的兼容性，所以只能做類型擦除來兼容以前的非泛型代碼。對於這一點，如果閱讀Java集合框架的源碼，可以發現有些類其實並不支持泛型。

說了這麼多，那麼泛型擦除到底是什麼意思呢？我們先來看一下下面這個簡單的例子：

public class Node<T> {
    private T data;
    private Node<T> next;
    public Node(T data, Node<T> next) {
        this.data = data;
        this.next = next;
    }
    public T getData() { return data; }
    // ...
}

編譯器做完相應的類型檢查之後，實際上到了運行期間上面這段代碼實際上將轉換成：

public class Node {
    private Object data;
    private Node next;
    public Node(Object data, Node next) {
        this.data = data;
        this.next = next;
    }
    public Object getData() { return data; }
    // ...
}

這意味着不管我們聲明Node<String>還是Node<Integer>，到了運行期間，JVM統統視爲Node<Object>。有沒有什麼辦法可以解決這個問題呢？這就需要我們自己重新設置bounds了，將上面的代碼修改成下面這樣：

public class Node<T extends Comparable<T>> {
    private T data;
    private Node<T> next;
    public Node(T data, Node<T> next) {
        this.data = data;
        this.next = next;
    }
    public T getData() { return data; }
    // ...
}

這樣編譯器就會將T出現的地方替換成Comparable而不再是默認的Object了：

public class Node {
    private Comparable data;
    private Node next;
    public Node(Comparable data, Node next) {
        this.data = data;
        this.next = next;
    }
    public Comparable getData() { return data; }
    // ...
}

上面的概念或許還是比較好理解，但其實泛型擦除帶來的問題遠遠不止這些，接下來我們系統地來看一下類型擦除所帶來的一些問題，有些問題在C++的泛型中可能不會遇見，但是在Java中卻需要格外小心。

問題一

在Java中不允許創建泛型數組，類似下面這樣的做法編譯器會報錯：

1	`List<Integer>[] arrayOfLists =` `new` `List<Integer>[2];` `// compile-time error`

爲什麼編譯器不支持上面這樣的做法呢？繼續使用逆向思維，我們站在編譯器的角度來考慮這個問題。

我們先來看一下下面這個例子：

Object[] strings = new String[2];
strings[0] = "hi";   // OK
strings[1] = 100;    // An ArrayStoreException is thrown.

對於上面這段代碼還是很好理解，字符串數組不能存放整型元素，而且這樣的錯誤往往要等到代碼運行的時候才能發現，編譯器是無法識別的。接下來我們再來看一下假設Java支持泛型數組的創建會出現什麼後果：

Object[] stringLists = new List<String>[];  // compiler error, but pretend it's allowed
stringLists[0] = new ArrayList<String>();   // OK
// An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can't detect it.
stringLists[1] = new ArrayList<Integer>();

假設我們支持泛型數組的創建，由於運行時期類型信息已經被擦除，JVM實際上根本就不知道new ArrayList<String>()和new ArrayList<Integer>()的區別。類似這樣的錯誤假如出現才實際的應用場景中，將非常難以察覺。

如果你對上面這一點還抱有懷疑的話，可以嘗試運行下面這段代碼：

public class ErasedTypeEquivalence {
    public static void main(String[] args) {
        Class c1 = new ArrayList<String>().getClass();
        Class c2 = new ArrayList<Integer>().getClass();
        System.out.println(c1 == c2); // true
    }
}

問題二

繼續複用我們上面的Node的類，對於泛型代碼，Java編譯器實際上還會偷偷幫我們實現一個Bridge method。

public class Node<T> {
    public T data;
    public Node(T data) { this.data = data; }
    public void setData(T data) {
        System.out.println("Node.setData");
        this.data = data;
    }
}
public class MyNode extends Node<Integer> {
    public MyNode(Integer data) { super(data); }
    public void setData(Integer data) {
        System.out.println("MyNode.setData");
        super.setData(data);
    }
}

看完上面的分析之後，你可能會認爲在類型擦除後，編譯器會將Node和MyNode變成下面這樣：

public class Node {
    public Object data;
    public Node(Object data) { this.data = data; }
    public void setData(Object data) {
        System.out.println("Node.setData");
        this.data = data;
    }
}
public class MyNode extends Node {
    public MyNode(Integer data) { super(data); }
    public void setData(Integer data) {
        System.out.println("MyNode.setData");
        super.setData(data);
    }
}

實際上不是這樣的，我們先來看一下下面這段代碼，這段代碼運行的時候會拋出ClassCastException異常，提示String無法轉換成Integer：

MyNode mn = new MyNode(5);
Node n = mn; // A raw type - compiler throws an unchecked warning
n.setData("Hello"); // Causes a ClassCastException to be thrown.
// Integer x = mn.data;

如果按照我們上面生成的代碼，運行到第3行的時候不應該報錯(注意我註釋掉了第4行)，因爲MyNode中不存在setData(String data)方法，所以只能調用父類Node的setData(Object data)方法，既然這樣上面的第3行代碼不應該報錯，因爲String當然可以轉換成Object了，那ClassCastException到底是怎麼拋出的？

實際上Java編譯器對上面代碼自動還做了一個處理：

class MyNode extends Node {
    // Bridge method generated by the compiler
    public void setData(Object data) {
        setData((Integer) data);
    }
    public void setData(Integer data) {
        System.out.println("MyNode.setData");
        super.setData(data);
    }
    // ...
}

這也就是爲什麼上面會報錯的原因了，setData((Integer) data);的時候String無法轉換成Integer。所以上面第2行編譯器提示unchecked warning的時候，我們不能選擇忽略，不然要等到運行期間才能發現異常。如果我們一開始加上Node<Integer> n = mn就好了，這樣編譯器就可以提前幫我們發現錯誤。

問題三

正如我們上面提到的，Java泛型很大程度上只能提供靜態類型檢查，然後類型的信息就會被擦除，所以像下面這樣利用類型參數創建實例的做法編譯器不會通過：

public static <E> void append(List<E> list) {
    E elem = new E();  // compile-time error
    list.add(elem);
}

但是如果某些場景我們想要需要利用類型參數創建實例，我們應該怎麼做呢？可以利用反射解決這個問題：

public static <E> void append(List<E> list, Class<E> cls) throws Exception {
    E elem = cls.newInstance();   // OK
    list.add(elem);
}

我們可以像下面這樣調用：

List<String> ls = new ArrayList<>();
append(ls, String.class);

實際上對於上面這個問題，還可以採用Factory和Template兩種設計模式解決，感興趣的朋友不妨去看一下Thinking in Java中第15章中關於Creating instance of types(英文版第664頁)的講解，這裏我們就不深入了。

問題四

我們無法對泛型代碼直接使用instanceof關鍵字，因爲Java編譯器在生成代碼的時候會擦除所有相關泛型的類型信息，正如我們上面驗證過的JVM在運行時期無法識別出ArrayList<Integer>和ArrayList<String>的之間的區別：

public static <E> void rtti(List<E> list) {
    if (list instanceof ArrayList<Integer>) {  // compile-time error
        // ...
    }
}
=> { ArrayList<Integer>, ArrayList<String>, LinkedList<Character>, ... }

和上面一樣，我們可以使用通配符重新設置bounds來解決這個問題：

public static void rtti(List<?> list) {
    if (list instanceof ArrayList<?>) {  // OK; instanceof requires a reifiable type
        // ...
    }
}

工廠模式

接下來我們利用泛型來簡單的實現一下工廠模式，首先我們先聲明一個接口Factory：

package typeinfo.factory;
public interface Factory<T> {
    T create();
}

接下來我們來創建幾個實體類FuelFilter和AirFilter以及FanBelt和GeneratorBelt。

class Filter extends Part {}
class FuelFilter extends Filter {
    public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory<FuelFilter> {
        public FuelFilter create() {
            return new FuelFilter();
        }
    }
}
class AirFilter extends Filter {
    public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory<AirFilter> {
        public AirFilter create() {
            return new AirFilter();
        }
    }
}

class Belt extends Part {}
class FanBelt extends Belt {
    public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory<FanBelt> {
        public FanBelt create() {
            return new FanBelt();
        }
    }
}
class GeneratorBelt extends Belt {
    public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory<GeneratorBelt> {
        public GeneratorBelt create() {
            return new GeneratorBelt();
        }
    }
}

Part類的實現如下，注意我們上面的實體類都是Part類的間接子類。在Part類我們註冊了我們上面的聲明的實體類。所以以後我們如果要創建相關的實體類的話，只需要在調用Part類的相關方法了。這麼做的一個好處就是如果的業務中出現了CabinAirFilter或者PowerSteeringBelt的話，我們不需要修改太多的代碼，只需要在Part類中將它們註冊即可。

class Part {
    static List<Factory<? extends Part>> partFactories =
        new ArrayList<Factory<? extends Part>>();
    static {
        partFactories.add(new FuelFilter.Factory());
        partFactories.add(new AirFilter.Factory());
        partFactories.add(new FanBelt.Factory());
        partFactories.add(new PowerSteeringBelt.Factory());
    }
    private static Random rand = new Random(47);
    public static Part createRandom() {
        int n = rand.nextInt(partFactories.size());
        return partFactories.get(n).create();
    }
    public String toString() {
        return getClass().getSimpleName();
    }
}

最後我們來測試一下：

public class RegisteredFactories {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Part.createRandom());
        }
    }
}

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泛型基礎

泛型類

泛型方法

邊界符

通配符

PECS原則

類型擦除

問題一

問題二

問題三

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