「深入Java」Generics泛型

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吐槽：這是目前最不深入的一篇了，因爲關於泛型實在有太多需要注意的地方，本文僅人工過濾出了較常見的重點內容，後期再進行不定時更新吧。

必要性

在程序日益複雜龐大的今天，編寫泛用性代碼的價值愈發變得巨大。
而要做到這一點，其訣竅僅只兩字而已——解耦。

最簡單的解耦，無疑是使用基類替代子類。然而由於Java僅支持單繼承，這種解耦方法所帶來的侷限性未免過大，有種“只准投胎一次”的感覺。

使用接口替代具體類算是更進了一步，算是多給了一條命吧，但限制仍舊存在。要是我們所寫的代碼本身就是爲了應用於“某種不確定的類型”呢？

這時候就輪到泛型登場了。

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簡單泛型

雖然理想遠大。但Java引入泛型的初衷，也許只是爲了創造容器類也說不定。

站在類庫設計者的角度，我們不妨走上一遭。

得益於單根繼承結構，我們可以這樣來設計一個持有單個對象的容器：

public class Holder1 {
    private Object a;
    public Holder1(Object a) { 
        this.a = a; 
    }
    Object get() { 
        return a; 
    }
} 

這個容器確實能持有多種類型的對象，但通常而言我們只會用它來存儲一種對象。也就是說雖然設計時希望能存儲任意類型，但使用時卻能夠只存儲我們想要的確定類型。

泛型可以達到這一目的，與此同時，這也能使編譯器爲我們提供編譯期檢查。

class Automobile {}

public class Holder2<T> {
    private T a;
    public Holder2(T a) { 
          this.a = a; 
    }
    public void set(T a) {
          this.a = a;
    }
    public T get() {
         return a; 
    }

    public static void main(String[] args) {
        Holder2<Automobile> h2 =
            new Holder2<Automobile>(new Automobile());
            Automobile a = h2.get(); // No cast needed
            // h2.set("Not an Automobile"); // Error
            // h2.set(1); // Error
    }
}

如你所見，使用方法即爲在類名後添加尖括號，然後填寫類型參數“T”。使用時用明確的類型參數替換掉“T”，即爲該容器指定了其存儲的確定類型。

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泛型方法

泛型可以應用於方法，只需要將泛型參數列表放在方法返回值之前即可。
下面這個例子中，f()的效果看起來像是重載過一樣：

//: generics/GenericMethods.java

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);
    }
} /* Output:
java.lang.String
java.lang.Integer
java.lang.Double
java.lang.Float
java.lang.Character
GenericMethods
*///:~

能這樣做的原因在於編譯器擁有稱爲類型參數推斷的功能，能爲我們找出具體的類型。
注意，如果調用f()時傳入了基本數據類型，自動打包機制將會被觸發，將基本數據類型包裝爲對應的對象。

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擦除

Java泛型是使用擦除來實現的，這意味着在泛型代碼內部，無法獲得關於類型參數的信息。
謹記，泛型類型參數將擦除到它的第一個邊界，默認邊界爲Object；對於<T extends Bound>，第一個邊界爲Bound，即像是在類的聲明中使用Bound替換掉T一樣。

以下例子說明了這一問題：

//: generics/ErasedTypeEquivalence.java
import java.util.*;

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);
    }
} /* Output:
true
*///:~

儘管運行時指定了不同的泛型參數，但"ArrayList<String>"與"ArrayList<Integer>"事實上卻被擦除成了相同的原生類型“ArrayList”來進行處理；用類字面常量來進行說明應該會更爲直觀：“c1”與"c2"的值爲“ArrayList.class”，而不是“ArrayList<String>.class”與“ArrayList<Integer>.class”。

知道了這一點後，你或許能猜測出容器類的一些具體實現細節了。
打開ArrayList的源碼，會發現在其內部，用來存儲數據的數組是這樣定義的：

    /**
     * The elements in this list, followed by nulls.
     */
    transient Object[] array;

而其get()方法則是這樣：

    @SuppressWarnings("unchecked") @Override public E get(int index) {
        if (index >= size) {
            throwIndexOutOfBoundsException(index, size);
        }
        return (E) array[index];
    }

注意，當E的第一個邊界爲Object時，那麼這個方法實際上就根本沒有進行轉型（從Object到Object）。
知道了這一點後，你大概會對以下代碼爲何能符合預期地運行感到疑惑：

//: generics/GenericHolder.java
public class GenericHolder<T> {
    private T obj;
    public void set(T obj) { this.obj = obj; }
    public T get() { return obj; }

    public static void main(String[] args) {
        GenericHolder<String> holder =
            new GenericHolder<String>();
        holder.set("Item");
        String s = holder.get(); // Why it works?
    }
} ///:~

使用 javap -c 反編譯，我們可以找到答案：

public void set(java.lang.Object);
0: aload_0
1: aload_1
2: putfield #2; //Field obj:Object;
5: return
public java.lang.Object get();
0: aload_0
1: getfield #2; //Field obj:Object;
4: areturn
public static void main(java.lang.String[]);
0: new #3; //class GenericHolder
3: dup
4: invokespecial #4; //Method "<init>":()V
7: astore_1
8: aload_1
9: ldc #5; //String Item
11: invokevirtual #6; //Method set:(Object;)V
14: aload_1
15: invokevirtual #7; //Method get:()Object;
18: checkcast #8; //class java/lang/String --------Watch this line--------
21: astore_2
22: return

奧祕就是，編譯器在編譯期爲我們執行類型檢查，然後插入了轉型代碼。

再看下面這個例子：

//: generics/ArrayMaker.java
import java.lang.reflect.*;
import java.util.*;
public class ArrayMaker<T> {
    private Class<T> kind;
    public ArrayMaker(Class<T> kind) { this.kind = kind; }
    @SuppressWarnings("unchecked")
    T[] create(int size) {
        return (T[])Array.newInstance(kind, size);
    }

    public static void main(String[] args) {
        ArrayMaker<String> stringMaker =
            new ArrayMaker<String>(String.class);
        String[] stringArray = stringMaker.create(9);
        System.out.println(Arrays.toString(stringArray));
    }
} /* Output:
[null, null, null, null, null, null, null, null, null]
*///:~

因爲擦除的關係，kind只是被存儲爲Class，使用“Array.newInstance();”創建數組也就只能得到非具體的結果，實際使用中我們需要對其進行向下轉型，但是並沒有足夠的類型信息用以進行類型檢查，所以對於編譯器報錯，只能採用註解“@SuppressWarnings("unchecked")”強行將其消去。

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通配符

有些時候你需要限定條件，使用通配符可以滿足這一特性。

這是指定上界的情況：

//: generics/GenericsAndCovariance.java
import java.util.*;
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 Fruit());
        // flist.add(new Object());
        flist.add(null); // Legal but uninteresting
        // We know that it returns at least Fruit:
        Fruit f = flist.get(0);
    }
} ///:~

flist的類型爲List<? extends Fruit>，讀作“任何從Fruit繼承而來的類型構成的列表”。但這並不意味着這個List將持有任何類型的Fruit，通配符引用的其實是明確的類型，這個例子中它意味着“某種指定了上界爲Fruit的具體類型”。

造成flist的add()完全不可用的原因是，在這種情況下add()的參數也變成了“? extends Fruit”。下面這個例子可以幫助你進行理解：

//: generics/Holder.java
public class Holder<T> {
    private T value;
    public Holder() {}
    public Holder(T val) { value = val; }
    public void set(T val) { value = val; }
    public T get() { return value; }
    public boolean equals(Object obj) {
        return value.equals(obj);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Holder<Apple> Apple = new Holder<Apple>(new Apple());
        Apple d = Apple.get();
        Apple.set(d);
        // Holder<Fruit> Fruit = Apple; // Cannot upcast
        Holder<? extends Fruit> fruit = Apple; // OK
        Fruit p = fruit.get();
        d = (Apple)fruit.get(); // Returns ‘Object’
        try {
            Orange c = (Orange)fruit.get(); // No warning
        } catch(Exception e) {
             System.out.println(e); 
        }

        // fruit.set(new Apple()); // Cannot call set()
        // fruit.set(new Fruit()); // Cannot call set()
        System.out.println(fruit.equals(d)); // OK
    }
} /* Output: (Sample)
java.lang.ClassCastException: Apple cannot be cast to Orange
true
*///:~

同樣的道理，對於上例中的fruit來說，其set()方法的參數變成了“? extends Fruit”，這意味着其接受的參數可以是任意類型，只需滿足上界爲Fruit即可，而編譯器無法驗證“任意類型”的類型安全性。

反過來看看指定下界的效果：

//: generics/SuperTypeWildcards.java
import java.util.*;

class Jonathan extends Apple {}

public class SuperTypeWildcards {
    static void writeTo(List<? super Apple> apples) {
        apples.add(new Apple());
        apples.add(new Jonathan());
        // apples.add(new Fruit()); // Error
    }
} ///:~

可以看到，寫入操作變得合法。顯然，Apple類型滿足下界需求，執行寫入操作沒有安全性問題，而Jonathan是Apple的子類，經過向上轉型，也可以符合需求，而Apple的基類Fruit則仍然由於類型不定而被拒絕。

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基本類型不能作爲類型參數

不能創建List<int>之類，而需使用List<Integer>，但因爲自動包裝機制的存在，所以寫入數據時可以使用基本數據類型。

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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，因爲擦除會讓它們變成相同的接口：

//: generics/MultipleInterfaceVariants.java
// {CompileTimeError} (Won’t compile)
interface Payable<T> {}

class Employee implements Payable<Employee> {}

class Hourly extends Employee
    implements Payable<Hourly> {} ///:~

Hourly不能編譯。但是，如果從Payable的兩種用法中移除掉泛型參數（就像編譯器在擦除階段做的那樣），這段代碼將能夠編譯。

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重載

以下代碼無法編譯，因爲擦除會讓兩個方法產生相同的簽名：

//: generics/UseList.java
// {CompileTimeError} (Won’t compile)
import java.util.*;
public class UseList<W,T> {
    void f(List<T> v) {}
    void f(List<W> v) {}
} ///:~

自限定類型

class SelfBounded<T extends SelfBounded<T>> { // ...

待補充...

參考資料

• 《Java編程思想》