Java 泛型完全解读

对于泛型的使用我想大家都非常熟悉，但是对于类型擦除，边界拓展等细节问题，可能不是很清楚，所以本文会重点讲解一下；另外对泛型的了解其实可以看出，一个语言特性的产生逻辑，这对我们平时的开发也是非常有帮助的；

一、为什么会出现泛型

首先泛型并不是Java的语言特性，是直到 JDK1.5 才支持的特性（具体区别后面会讲到）；那么在泛型出现之前是怎么做的呢？

List list = new ArrayList();
list.add("123");
String s = (String) list.get(0);

如上面代码所示，在集合里面需要我们自己记住放进去的是什么，取出来的时候再强转； 也就将这种类型转换的错误推迟到了运行时，即麻烦还不安全，所以才出现了泛型；

使用场景：泛型类，泛型接口，泛型方法；

public class Test<T>
public interface Test<T>
public <T> void test(T t)

二、泛型会带来什么样的问题

正如上面所讲泛型并不是 Java 一开始就具有的特性，所以在后来想要增加泛型的时候，就必须要兼容以前的版本，Sun 他们想到的折中解决方案就是类型擦除；意思就是泛型的信息只存在于编译期，在运行时期所有的泛型信息都被擦除了，就想没有一样；

List<String> list1 = new ArrayList<>();
List<Integer> list2 = new ArrayList<>();
System.out.println(list1.getClass());
System.out.println(list2.getClass() == list1.getClass());

// 打印：

class java.util.ArrayList

true

可以看到 List<String> 和 List<String> 在运行时其实都是一样的，都是class java.util.ArrayList；所以在使用泛型的时候需要牢记，在运行时期没有泛型信息，也无法获取任何有关参数类型的信息；所以凡是需要获取运行时类型的操作，泛型都不支持！

1. 不能用基本类型实例化类型参数

new ArrayList<int>();      // error
new ArrayList<Integer>();  // correct

因为类型擦除，会擦除到他的上界也就是 Object；而 Java 的8个基本类型的直接父类是 Number，所以基本类型不不能用基本类型实例化类型参数，而必须使用基本类型的包装类；

2. 不能用于运行时类型检查

t instanceof T             // error
t instanceof List<T>       // error
t instanceof List<String>  // error
t instanceof List          // correct

但是可以使用 clazz.isInstance(); 进行补偿；

3. 不能创建类型实例

T t = new T();  // error

同样可以使用 clazz.newInstance(); 进行补偿；

4. 不能静态化

private static T t;                  // error
private T t;                         // correct
private static List<T> list;         // error
private static List<?> list;         // correct
private static List<String> list;    // correct

// e.g.
class Test<T> {
  private T t;
  public void set(T arg) { t = arg; }
  public T get() { return t; }
}

因为静态变量在类中共享，而泛型类型是不确定的，所以泛型不能静态化；但是非静态的时候，编译期可以根据上下文推断出T是什么，例如：

Test l = new Test();
System.out.println(l.get());
l.set("123");
System.out.println(l.get());

// javap -v 反编译
12: invokevirtual #15         // Method JDK/Test14_genericity$Test.get:()Ljava/lang/Object;
15: invokevirtual #16         // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
18: aload_1
19: ldc       #17             // String 123
21: invokevirtual #18         // Method JDK/Test14_genericity$Test.set:(Ljava/lang/Object;)V
24: getstatic   #6            // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;

// ---------------------------
Test l = new Test();
System.out.println(l.get());
l.set("123");
System.out.println(l.get());

// javap -v 反编译
12: invokevirtual #15         // Method JDK/Test14_genericity$Test.get:()Ljava/lang/Object;
15: invokevirtual #16         // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
18: aload_1
19: bipush    123
21: invokestatic  #17         // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;

根据上面的代码，可以很清楚的看到，编译器对非静态类型的推导；

另外 List<?> 和 List<String> 之所以是正确的，仍然是因为编译器可以在编译期间就能确定类型转换的正确性；

5. 不能抛出或捕获泛型类的实例

catch (T t)                        // error
class Test<T> extends Throwable    // error

因为在捕捉异常时候需要运行时类信息，并且判断异常的继承关系，所以不能抛出或捕获泛型类的实例；

6. 不允许作为参数进行重载

void test(List<Integer> list)
void test(List<String> list)

因为在运行时期泛型信息被擦除，重载的两个方法签名就完全一样了；

7. 不能创建泛型数组

对于一点我觉得是最重要的，关于数组的介绍可以参考，Array 相关 ；

List<String>[] lists = new ArrayList<String>[10];             // error
List<String>[] lists1 = (List<String>[]) new ArrayList[10];   // correct

之所以不能创建泛型数组的主要原因：

• 数组是协变的，而泛型的不变的；
• 数组的Class信息是在运行时动态创建的，而运行时不能获取泛型的类信息；

根据上面的讲解可以看出所谓的擦除补偿或者擦除后的修正，其大体思路都是用额外的方法告知运行时的类型信息，可以是记录到局部变量，也可以是指定参数的确切类型（Array.newInstance(Class<?> componentType, int length)）；

三、边界拓展

基于安全的考虑 Java 泛型是不变的（避免取出数据时的类型转换错误）；

List<Object> list = new ArrayList<String>();    // error

所以在使用集合类的时候，每个集合都需要强制指定确切类型就有点不方便，比如我想指定一个集合存放 A 以及 A 的子类；在这种情况下就引入了 extends,super,? 来拓展和管理泛型的边界；

1. 无界通配符 <?>

通配符主要用于泛型的使用场景（泛型一般有“声明”和“使用”两种场景）；

通常情况下 <?> 和原生类型大致相同，就像 List 和 List<?> 的表现大部分都是一样的；但是要注意他们其实是有本质去别的，<?> 代表了某一特定的类型，但是编译器不知道这种类型是什么；而原生的表示可以是任何 Object，其中并没有类型限制；

List<?> list = new ArrayList<String>();    // correct
list.add("34");                            // error
String s = list.get(0);                    // error
Object o = list.get(0);                    // correct

boolean add(E e);

上面的代码很明确的反应了这一点（<?> 代表了某一特定的类型，但是编译器不知道这种类型是什么），

• 因为编译器不知道这种类型是什么，所以在添加元素的时候，当然也就不能确认添加的这个类型是否正确；当使用<?>的时候，代码中的 add(E e) 方法，此时的 E 会被替换为 <?>，实际上编译器为了安全起见，会直接拒绝参数列表中涉及通配符的方法调用；就算这个方法没有向集合中添加元素，也会被直接拒绝；
• 当 List<?> 取出元素的时候，同样因为不知道这个特定的类型是什么，所以只能将取出的元素放在Object中；或者在取出后强转；

2. 上界 <extends>

extends，主要用于确定泛型的上界；

<T extends Test>                             // 泛型声明
<T extends Test & interface1 & interface2>   // 声明泛型是可以确定多个上界
<? extends T>                                // 泛型使用时

界定的范围如图所示：

应当注意的是当extends用于参数类型限定时：

List<? extends List> list = new ArrayList<ArrayList>();  // correct
list.add(new ArrayList());                               // error
List l = list.get(0);                                    // correct
ArrayList l = list.get(0);                               // error

上面的分析同无界通配符类似，只是 List l = list.get(0); 是正确的，是因为 <? extends List> 界定了放入的元素一定是 List 或者 list 的子类，所以取出的元素能放入 List 中，但是不能放入 ArrayList 中；

3. 下界 <super>

super，主要用于确定泛型的下界；如图所示：

List<? super HashMap> list = new ArrayList<>();   // correct
LinkedHashMap m = new LinkedHashMap();            // correct
HashMap m1 = m;                                   // correct
Map m2 = m;                                       // correct
list.add(m);                                      // correct
list.add(m1);                                     // correct
list.add(m2);                                     // error

Map mm = list.get(0);                             // error
LinkedHashMap mm1 = list.get(0);                  // error

根据图中的范围对照代码，就能很快发现Map在List<? super HashMap>的范围之外；而编辑器为了安全泛型下界集合取出的元素只能放在 Object里面；

4. PECS 原则

PECS原则是对上界和下界使用的归纳，即producer-extends, consumer-super；结合上面的两幅图，表示：

• extends，只能读，相当于生产者，向外产出；
• super，只能写，相当于消费者，只能接收消费；
• 同时边界不能同时规定上界和下界，正如图所示，他们的范围其实是一样的，只是开口不一样；

5. 自限定类型

对于上面讲的泛型边界拓展，有一个很特别的用法，

class Test<T extends Test<T>> {}

public <T extends Comparable<T>> T max(List<T> list) {}

自限定类型可以通俗的解释，就是用自己限定自己，即自和自身相同的类进行某操作；如上面的 max 方法，就表示可以和自身进行比较的类型；

那么如果想要表达只要是同一祖先就能相互比较呢？

public <T extends Comparable<? super>> T max(List<? extends T> list) {}

<T extends Comparable<? super>>：表明只要是同一祖先就能相互比较，<? extends T>表明集合中装的都是同一祖先的元素；（出至《Effective Java》第 28 条）

总结

• 对于泛型的时候首先要很清楚的知道，在运行时没有任何泛型的信息，全部都被擦除掉了；
• 需要知道 Java 泛型做不到的事情；
• 需要知道怎么拓展边界，让泛型更加灵活；
• 另外所有的 Comparator、Comparable 都是消费者，应用 super；