Java 泛型 五：泛型与数组

简介

上一篇文章介绍了泛型的基本用法以及类型擦除的问题，现在来看看泛型和数组的关系。数组相比于Java 类库中的容器类是比较特殊的，主要体现在三个方面：

1. 数组创建后大小便固定，但效率更高

2. 数组能追踪它内部保存的元素的具体类型，插入的元素类型会在编译期得到检查

3. 数组可以持有原始类型 ( int，float等 )，不过有了自动装箱，容器类看上去也能持有原始类型了

那么当数组遇到泛型会怎样？ 能否创建泛型数组呢？这是这篇文章的主要内容。

这个系列的另外两篇文章：

泛型数组

如何创建泛型数组

如果有一个类如下：

 class Generic<T> {

}

如果要创建一个泛型数组，应该是这样： Generic<Integer> ga = new Generic<Integer>[]。不过行代码会报错，也就是说不能直接创建泛型数组。

那么如果要使用泛型数组怎么办？一种方案是使用 ArrayList，比如下面的例子：

public class ListOfGenerics<T> {
    private List<T> array = new ArrayList<T>();
    public void add(T item) { array.add(item); }
    public T get(int index) { return array.get(index); }
}

如何创建真正的泛型数组呢？我们不能直接创建，但可以定义泛型数组的引用。比如：

public class ArrayOfGenericReference {
    static Generic<Integer>[] gia;
}

gia 是一个指向泛型数组的引用，这段代码可以通过编译。但是，我们并不能创建这个确切类型的数组，也就是不能使用 new Generic<Integer>[]。具体参见下面的例子：

public class ArrayOfGeneric {
    static final int SIZE = 100;
    static Generic<Integer>[] gia;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public static void main(String[] args) {
        // Compiles; produces ClassCastException:
        //! gia = (Generic<Integer>[])new Object[SIZE];
        // Runtime type is the raw (erased) type:
        gia = (Generic<Integer>[])new Generic[SIZE];
        System.out.println(gia.getClass().getSimpleName());
        gia[0] = new Generic<Integer>();
        //! gia[1] = new Object(); // Compile-time error
        // Discovers type mismatch at compile time:
        //! gia[2] = new Generic<Double>();
        Generic<Integer> g = gia[0];
    }
} /*输出：
Generic[]
*///:~

数组能追踪元素的实际类型，这个类型是在数组创建的时候建立的。上面被注释掉的一行代码： gia = (Generic<Integer>[])new Object[SIZE]，数组在创建的时候是一个 Object 数组，如果转型便会报错。成功创建泛型数组的唯一方式是创建一个类型擦除的数组，然后转型，如代码： gia = (Generic<Integer>[])new Generic[SIZE]。gia 的 Class 对象输出的名字是 Generic[]。

我个人的理解是：由于类型擦除，所以 Generic<Integer> 相当于初始类型 Generic，那么 gia = (Generic<Integer>[])new Generic[SIZE] 中的转型其实还是转型为 Generic[]，看上去像没转，但是多了编译器对参数的检查和自动转型，向数组插入 new Object() 和 new Generic<Double>() 均会报错，而 gia[0] 取出给 Generic<Integer> 也不需要我们手动转型。

使用 T[] array

上面的例子中，元素的类型是泛型类。下面看一个元素本身类型是泛型参数的例子：

public class GenericArray<T> {
    private T[] array;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public GenericArray(int sz) {
        array = (T[])new Object[sz];   // 创建泛型数组
    }
    public void put(int index, T item) {
        array[index] = item;
    }
    public T get(int index) { return array[index]; }
    // Method that exposes the underlying representation:
    public T[] rep() { return array; }     //返回数组 会报错
    public static void main(String[] args) {
        GenericArray<Integer> gai =
        new GenericArray<Integer>(10);
        // This causes a ClassCastException:
        //! Integer[] ia = gai.rep();
        // This is OK:
        Object[] oa = gai.rep();
    }
}

在上面的代码中，泛型数组的创建是创建一个 Object 数组，然后转型为 T[]。但数组实际的类型还是 Object[]。在调用 rep()方法的时候，就报 ClassCastException 异常了，因为 Object[] 无法转型为 Integer[]。

那创建泛型数组的代码 array = (T[])new Object[sz] 为什么不会报错呢？我的理解和前面介绍的类似，由于类型擦除，相当于转型为 Object[]，看上去就是没转，但是多了编译器的参数检查和自动转型。而如果把泛型参数改成 <T extends Integer>，那么因为类型是擦除到第一个边界，所以 array = (T[])new Object[sz] 中相当于转型为 Integer[]，这应该会报错。下面是实验的代码：

public class GenericArray<T extends Integer> {
    private T[] array;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public GenericArray(int sz) {
        array = (T[])new Object[sz];   // 创建泛型数组
    }
    public void put(int index, T item) {
        array[index] = item;
    }
    public T get(int index) { return array[index]; }
    // Method that exposes the underlying representation:
    public T[] rep() { return array; }     //返回数组 会报错
    public static void main(String[] args) {
        GenericArray<Integer> gai =
        new GenericArray<Integer>(10);
        // This causes a ClassCastException:
        //! Integer[] ia = gai.rep();
        // This is OK:
        Object[] oa = gai.rep();
    }
}

相比于原始的版本，上面的代码只修改了第一行，把 <T> 改成了 <T extends Integer>，那么不用调用 rep()，在创建泛型数组的时候就会报错。下面是运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: [Ljava.lang.Object; cannot be cast to [Ljava.lang.Integer;
at GenericArray.<init>(GenericArray.java:15)

使用 Object[] array

由于擦除，运行期的数组类型只能是 Object[]，如果我们立即把它转型为 T[]，那么在编译期就失去了数组的实际类型，编译器也许无法发现潜在的错误。因此，更好的办法是在内部最好使用 Object[] 数组，在取出元素的时候再转型。看下面的例子：

public class GenericArray2<T> {
    private Object[] array;
    public GenericArray2(int sz) {
        array = new Object[sz];
    }
    public void put(int index, T item) {
        array[index] = item;
    }
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public T get(int index) { return (T)array[index]; }
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public T[] rep() {
        return (T[])array; // Warning: unchecked cast
    }
    public static void main(String[] args) {
        GenericArray2<Integer> gai =
        new GenericArray2<Integer>(10);
        for(int i = 0; i < 10; i ++)
        gai.put(i, i);
        for(int i = 0; i < 10; i ++)
        System.out.print(gai.get(i) + " ");
        System.out.println();
        try {
            Integer[] ia = gai.rep();
        } catch(Exception e) { System.out.println(e); }
    }
} /* Output: (Sample)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
java.lang.ClassCastException: [Ljava.lang.Object; cannot be cast to [Ljava.lang.Integer;
*///:~

现在内部数组的呈现不是 T[] 而是 Object[]，当 get() 被调用的时候数组的元素被转型为 T，这正是元素的实际类型。不过调用 rep() 还是会报错， 因为数组的实际类型依然是Object[]，终究不能转换为其它类型。使用 Object[] 代替 T[] 的好处是让我们不会忘记数组运行期的实际类型，以至于不小心引入错误。

使用类型标识

其实使用 Class 对象作为类型标识是更好的设计：

public class GenericArrayWithTypeToken<T> {
    private T[] array;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public GenericArrayWithTypeToken(Class<T> type, int sz) {
        array = (T[])Array.newInstance(type, sz);
    }
    public void put(int index, T item) {
        array[index] = item;
    }
    public T get(int index) { return array[index]; }
    // Expose the underlying representation:
    public T[] rep() { return array; }
    public static void main(String[] args) {
        GenericArrayWithTypeToken<Integer> gai =
        new GenericArrayWithTypeToken<Integer>(
        Integer.class, 10);
        // This now works:
        Integer[] ia = gai.rep();
    }
}

在构造器中传入了 Class<T> 对象，通过 Array.newInstance(type, sz) 创建一个数组，这个方法会用参数中的 Class 对象作为数组元素的组件类型。这样创建出的数组的元素类型便不再是 Object，而是 T。这个方法返回 Object 对象，需要把它转型为数组。不过其他操作都不需要转型了，包括 rep() 方法，因为数组的实际类型与 T[] 是一致的。这是比较推荐的创建泛型数组的方法。

总结

数组与泛型的关系还是有点复杂的，Java 中不允许直接创建泛型数组。本文分析了其中原因并且总结了一些创建泛型数组的方式。其中有部分个人的理解，如果错误希望大家指正。下一篇会总结通配符的使用。