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JDK 中的泛型类型学习
发布于:第八基地 来源:duote 作者:天堂路上 时间:2016-04-11 点击:301

  JDK 5.0 中增加的泛型类型,是 Java 语言中类型安全的一次重要改进。但是,对于初次使用泛型类型的用户来说,泛型的某些方面看起来可能不容易明白,甚至非常奇怪。在本月的“Java 理论和实践”中,Brian Goetz 分析了束缚第一次使用泛型的用户的常见陷阱。您可以通过讨论论坛与作者和其他读者分享您对本文的看法。(也可以单击本文顶端或底端的讨论来访问这个论坛。)

  表面上看起来,无论语法还是应用的环境(比如容器类),泛型类型(或者泛型)都类似于 C++ 中的模板。但是这种相似性仅限于表面,Java 语言中的泛型基本上完全在编译器中实现,由编译器执行类型检查和类型推断,然后生成普通的非泛型的字节码。这种实现技术称为擦除(erasure)(编译器使用泛型类型信息保证类型安全,然后在生成字节码之前将其清除),这项技术有一些奇怪,并且有时会带来一些令人迷惑的后果。虽然范型是 Java 类走向类型安全的一大步,但是在学习使用泛型的过程中几乎肯定会遇到头痛(有时候让人无法忍受)的问题。

  注意:本文假设您对 JDK 5.0 中的范型有基本的了解。

  泛型不是协变的

  虽然将集合看作是数组的抽象会有所帮助,但是数组还有一些集合不具备的特殊性质。Java 语言中的数组是协变的(covariant),也就是说,如果 Integer 扩展了 Number(事实也是如此),那么不仅 Integer 是 Number,而且 Integer[] 也是 Number[],在要求 Number[] 的地方完全可以传递或者赋予 Integer[]。(更正式地说,如果 Number 是 Integer 的超类型,那么 Number[] 也是 Integer[] 的超类型)。您也许认为这一原理同样适用于泛型类型 —— List<Number> 是 List<Integer> 的超类型,那么可以在需要 List<Number> 的地方传递 List<Integer>。不幸的是,情况并非如此。

  不允许这样做有一个很充分的理由:这样做将破坏要提供的类型安全泛型。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> li = new ArrayList<Integer>();

  List<Number> ln = li; // illegal

  ln.add(new Float(3.1415));

  因为 ln 是 List<Number>,所以向其添加 Float 似乎是完全合法的。但是如果 ln 是 li 的别名,那么这就破坏了蕴含在 li 定义中的类型安全承诺 —— 它是一个整数列表,这就是泛型类型不能协变的原因。

  其他的协变问题

  数组能够协变而泛型不能协变的另一个后果是,不能实例化泛型类型的数组(new List<String>[3] 是不合法的),除非类型参数是一个未绑定的通配符(new List<?>[3] 是合法的)。让我们看看如果允许声明泛型类型数组会造成什么后果:

  List<String>[] lsa = new List<String>[10]; // illegal

  Object[] oa = lsa;  // OK because List<String> is a subtype of Object

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

  li.add(new Integer(3));

  oa[0] = li;

  String s = lsa[0].get(0);

  最后一行将抛出 ClassCastException,因为这样将把 List<Integer> 填入本应是 List<String> 的位置。因为数组协变会破坏泛型的类型安全,所以不允许实例化泛型类型的数组(除非类型参数是未绑定的通配符,比如 List<?>)。

  构造延迟

  因为可以擦除功能,所以 List<Integer> 和 List<String> 是同一个类,编译器在编译 List<V> 时只生成一个类(和 C++ 不同)。因此,在编译 List<V> 类时,编译器不知道 V 所表示的类型,所以它就不能像知道类所表示的具体类型那样处理 List<V> 类定义中的类型参数(List<V> 中的 V)。

  因为运行时不能区分 List<String> 和 List<Integer>(运行时都是 List),用泛型类型参数标识类型的变量的构造就成了问题。运行时缺乏类型信息,这给泛型容器类和希望创建保护性副本的泛型类提出了难题。

  比如泛型类 Foo:

  class Foo<T> {

  public void doSomething(T param) { ... }

  }

  在这里可以看到一种模式 —— 与泛型有关的很多问题或者折衷并非来自泛型本身,而是保持和已有代码兼容的要求带来的副作用。

  泛化已有的类

  在转化现有的库类来使用泛型方面没有多少技巧,但与平常的情况相同,向后兼容性不会凭空而来。我已经讨论了两个例子,其中向后兼容性限制了类库的泛化。

  另一种不同的泛化方法可能不存在向后兼容问题,这就是 Collections.toArray(Object[])。传入 toArray() 的数组有两个目的 —— 如果集合足够小,那么可以将其内容直接放在提供的数组中。否则,利用反射(reflection)创建相同类型的新数组来接受结果。如果从头开始重写 Collections 框架,那么很可能传递给 Collections.toArray() 的参数不是一个数组,而是一个类文字:

  interface Collection<E> {

  public T[] toArray(Class<T super E> elementClass);

  }

  因为 Collections 框架作为良好类设计的例子被广泛效仿,但是它的设计受到向后兼容性约束,所以这些地方值得您注意,不要盲目效仿。

  首先,常常被混淆的泛型 Collections API 的一个重要方面是 containsAll()、removeAll() 和 retainAll() 的签名。您可能认为 remove() 和 removeAll() 的签名应该是:

  interface Collection<E> {

  public boolean remove(E e);  // not really

  public void removeAll(Collection<? extends E> c);  // not really

  }

  但实际上却是:

  interface Collection<E> {

  public boolean remove(Object o);

  public void removeAll(Collection<?> c);

  }

  为什么呢?答案同样是因为向后兼容性。x.remove(o) 的接口表明“如果 o 包含在 x 中,则删除它,否则什么也不做。”如果 x 是一个泛型集合,那么 o 不一定与 x 的类型参数兼容。如果 removeAll() 被泛化为只有类型兼容时才能调用(Collection<? extends E>),那么在泛化之前,合法的代码序列就会变得不合法,比如:

  // a collection of Integers

  Collection c = new HashSet();

  // a collection of Objects

  Collection r = new HashSet();

  c.removeAll(r);

  如果上述片段用直观的方法泛化(将 c 设为 Collection<Integer>,r 设为 Collection<Object>),如果 removeAll() 的签名要求其参数为 Collection<? extends E> 而不是 no-op,那么就无法编译上面的代码。泛型类库的一个主要目标就是不打破或者改变已有代码的语义,因此,必须用比从头重新设计泛型所使用类型约束更弱的类型约束来定义 remove()、removeAll()、retainAll() 和 containsAll()。

  在泛型之前设计的类可能阻碍了“显然的”泛型化方法。这种情况下就要像上例这样进行折衷,但是如果从头设计新的泛型类,理解 Java 类库中的哪些东西是向后兼容的结果很有意义,这样可以避免不适当的模仿。

  擦除的实现

  因为泛型基本上都是在 Java 编译器中而不是运行库中实现的,所以在生成字节码的时候,差不多所有关于泛型类型的类型信息都被“擦掉”了。换句话说,编译器生成的代码与您手工编写的不用泛型、检查程序的类型安全后进行强制类型转换所得到的代码基本相同。与 C++ 不同,List<Integer> 和 List<String> 是同一个类(虽然是不同的类型但都是 List<?> 的子类型,与以前的版本相比,在 JDK 5.0 中这是一个更重要的区别)。

  擦除意味着一个类不能同时实现 Comparable<String> 和 Comparable<Number>,因为事实上两者都在同一个接口中,指定同一个 compareTo() 方法。声明 DecimalString 类以便与 String 与 Number 比较似乎是明智的,但对于 Java 编译器来说,这相当于对同一个方法进行了两次声明:

  public class DecimalString implements Comparable<Number>, Comparable<String> { ... } // nope

  擦除的另一个后果是,对泛型类型参数是用强制类型转换或者 instanceof 毫无意义。下面的代码完全不会改善代码的类型安全性:

  public <T> T naiveCast(T t, Object o) { return (T) o; }

  编译器仅仅发出一个类型未检查转换警告,因为它不知道这种转换是否安全。naiveCast() 方法实际上根本不作任何转换,T 直接被替换为 Object,与期望的相反,传入的对象被强制转换为 Object。

  擦除也是造成上述构造问题的原因,即不能创建泛型类型的对象,因为编译器不知道要调用什么构造函数。如果泛型类需要构造用泛型类型参数来指定类型的对象,那么构造函数应该接受类文字(Foo.class)并将它们保存起来,以便通过反射创建实例。

  结束语

  泛型是 Java 语言走向类型安全的一大步,但是泛型设施的设计和类库的泛化并非未经过妥协。扩展虚拟机指令集来支持泛型被认为是无法接受的,因为这会为 Java 厂商升级其 JVM 造成难以逾越的障碍。因此采用了可以完全在编译器中实现的擦除方法。类似地,在泛型 Java 类库时,保持向后兼容也为类库的泛化方式设置了很多限制,产生了一些混乱的、令人沮丧的结构(如 Array.newInstance())。这并非泛型本身的问题,而是与语言的演化与兼容有关。但这些也使得泛型学习和应用起来更让人迷惑,更加困难。

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