Java:泛型的理解

本文源自参考《Think in Java》，多篇博文以及阅读源码的总结

前言

Java中的泛型每各人都在使用，但是它底层的实现方法是什么呢，为何要这样实现，这样实现的优缺点有哪些，怎么解决泛型带来的问题。带着好奇，我查阅资料进行了初步的学习，在此与诸位探讨。

一类型参数

学过JAVA的人都知道泛型，明白大概怎么使用。在类上为：class 类名 {}，在方法上为：public void 方法名 (T x){}。泛型的实现使得类型变成了参数可以传入，使得类功能多样化。

具体可分为5种情况:

T是成员变量的类型
T是泛型变量（无论成员变量还是局部变量）的类型参数，常见如Class<T>，List<T>。
T是方法抛出的Exception（要求<T extends Exception>）
T是方法的返回值
T是方法的参数

1.1 泛型的实现

JAVA的泛型是基于编译器实现的，使用了擦除的方法实现，这是因为java1.5之后才出现了泛型，为了保持向后兼容而做出的妥协。

所谓擦除就是JAVA文件在编译成字节码时类型参数会被擦除掉，单独记录在其他地方。并且用类型参数的父类代替原有的位置。

假设参数类型的占位符为T，擦除规则如下：

<T>擦除后变为Obecjt
<? extends A>擦除后变为A
<? super A>擦除后变为Object

这种规则叫做保留上界

编译器擦除类型参数后，通过JAVA的强制转换保证了类型参数在使用时的正确。如：在类型参数T中传入了类A,那么编译器会在所有类A将返回(抛出)类型参数T的代码处加上(A)进行强转.

举个栗子：

        ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();

		list.add("123");

		String b = list.get(0);

在编译后会变成

        ArrayList list = new ArrayList();//没有参数即默认为Object

		list.add("123");

		String b = (String) list.get(0);

并且会在带有类型参数类的子类中形成桥方法保证了多态性。

具体参考官方解释如下

Replace all type parameters in generic types with their bounds or Object if the type parameters are unbounded. The produced bytecode, therefore, contains only ordinary classes, interfaces, and methods.

Insert type casts if necessary to preserve type safety.

Generate bridge methods to preserve polymorphism in extended generic types.

二通配符?

在带有类型参数的类内部，代码仍然按照参数类型擦除后的父类来处理。但是擦除存在一个问题，在这种机制下泛型是不变的，而没有逆变和协变。

2.1 逆变与协变

协变和逆变网上有很多解释，显得模糊不清，我参考几个编程语言的官方解释后给出一个比较宽泛的定义。协变指能够使用比原始声明类型的派生程度更大（更具体的）的类型，逆变指能够使用比原始声明类型的派生程度更小（不太具体的）的类型。

如:

Object obj = new String("123");

这就是协变，将String这个更具体的（子类）类型赋给了原本较宽泛定义（父类）的类型Object。

JAVA不允许将父类赋给子类，自然Java不支持逆变。

网上很多博文说JAVA泛型也有逆变，我是不赞同的，那只是一种模拟的逆变，即有部分逆变的特性而且看起来像逆变，具体分析后文会给出

2.2 Java中的逆变与协变

在JAVA中，

List<Integer> b = new ArrayList<Integer>()

List<NumFber> a = b;

是无法通过编译器检查的。不允许这样做有一个很充分的理由：这样做将破坏要泛型的类型安全。如果能够将List<Integer> 赋给List<Number>。那么下面的代码就允许将非Integer的内容放入 List<Integer>：

List<Integer> b = new ArrayList<Integer>();

List<Number> a = b; // illegal

a.add(new Float(3.1415));

因为a是List<Number>，所以向其添加Float似乎是完全可行的。但是如果a实际是List<Integer>，那么这就破坏了蕴含在b中定义的类型声明 —— 它是一个整数列表，这就是泛型类型不能协变的原因。但也因此使得泛型失去了多态的拓展性。

2.3 通配符解决协变

Java官方通过加入了通配符?来解决泛型协变的问题。这样就能通过编译了：

List<Integer> b = new ArrayList<Integer>();

List<? extends Number> a = b;

可以解读为a是一种带有Number的List集合类，在从a中取出数据的时候统一当做Number处理就行了。同时这也是符合里氏替换原则的

但是编译器会禁止你将将类Integer放入a,即a.add(new Integer(1))//illegal

这也很合理，因为你声明的a本来就没有限定a包含的具体是哪个Number子类，因此不准任何变量的添加保证了泛型的安全性。

解决往a添加对象的方法也很简单

List<Object> b = new ArrayList<Object>();

List<? super Number> a = b;

a是某种Number父类的List集合类，将ArrayList<Object>赋给a也是合情合理的，Object确实是Number的父类。这也符合里氏替换原则的

(网上大部分博文说这就是逆变,但是仔细想想逆变的官方定义，在JAVA中可以理解为：类T是类S的子类，而类A<T>是类A<S>的父类。仔细看看List<? super Number>和List<Object>的关系，在这里T是Number,而S是Object，但是List<? super Number>从逻辑上来看真的是List<Object>的子类吗，如果单纯从字面上来看List<? super Number>是带有Number父类的集合类,根据保留上界的擦除方法，应该擦除为List<Object>,将一个List<Object>赋给另一个List<Object>是不存在任何逆变的。我在疑惑之下去谷歌查阅了资料，也没有英文资料说明JAVA泛型里这属于逆变)