全面理解Java泛型

为什么需要泛型

首先，我们看下下面这段简短的代码：

    public static void main(String[] args) {        List list = new ArrayList();        list.add("abcdf");        list.add("pldpl");        list.add(100);        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {            String name = (String) list.get(i); // 1            System.out.println("name:" + name);        }    }

代码编译的时候没有问题，运行起来却在//1处出现了错误。那我们来分析一下：

这里定义了一个List类型的集合，先向其中加入了两个String类型的值，随后加入一个Integer类型的值。这是完全允许的，因为此时list默认的类型为Object类型。在之后的循环中，由于忘记了之前在list中也加入了Integer类型的值或其他编码原因，很容易出现类似于//1处的错误。因为编译阶段正常，而运行时会出现“java.lang.ClassCastException”异常。因此，导致此类错误编码过程中不易发现。

那么有没有什么办法可以使集合能够记住集合内元素各类型，且能够达到只要编译时不出现问题，运行时就不会出现“java.lang.ClassCastException”异常呢？答案就是使用泛型。

什么是泛型

泛型，即“参数化类型”。一提到参数，最熟悉的就是定义方法时有形参，然后调用此方法时传递实参。那么参数化类型怎么理解呢？顾名思义，就是将类型由原来的具体的类型参数化，类似于方法中的变量参数，此时类型也定义成参数形式（可以称之为类型形参），然后在使用/调用时传入具体的类型（类型实参）。

使用泛型

现在把上面的例子改一下：

    public static void main(String[] args) {        List<String> list = new ArrayList();        list.add("abcdf");        list.add("pldpl");        list.add(100); //2 会提示编译错误        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {            String name = list.get(i);// 1             System.out.println("name:" + name);        }    }

我们把list的声明改了一下，从List list改为List< String > list。这个时候编译器会知道了我们要传入的是String类型 ，在//2处再加入Integer类型就会提示错误，从而避免了之前在运行时出现在// 1的错误了。并且// 1处也不再需要强制类型转换了。

这样通过泛型我们就把运行时的错误提前到了编译时，提高了代码的安全性。

泛型的声明

泛型类

我们首先定义一个简单的Box类：

public class Box {    private String object;    public void set(String object) { this.object = object; }    public String get() { return object; }}

这是最常见的做法，这样做的一个坏处是Box里面现在只能装入String类型的元素，今后如果我们需要装入Integer等其他类型的元素，还必须要另外重写一个Box，代码得不到复用，使用泛型可以很好的解决这个问题。

public class Box<T> {    // T stands for "Type"    private T t;    public void set(T t) { this.t = t; }    public T get() { return t; }}

这样我们的Box类便可以得到复用，我们可以将T替换成任何我们想要的类型：

Box<Integer> integerBox = new Box<Integer>();Box<Double> doubleBox = new Box<Double>();Box<String> stringBox = new Box<String>();

泛型接口也是类似的，这里就不赘述了。

泛型方法

声明一个泛型方法很简单，只要在返回类型前面加上一个类似

public class Util {    public static <K, V> boolean compare(Pair<K, V> p1, Pair<K, V> p2) {        return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&               p1.getValue().equals(p2.getValue());    }}public class Pair<K, V> {    private K key;    private V value;    public Pair(K key, V value) {        this.key = key;        this.value = value;    }    public void setKey(K key) { this.key = key; }    public void setValue(V value) { this.value = value; }    public K getKey()   { return key; }    public V getValue() { return value; }}

我们可以像下面这样去调用泛型方法：

Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");boolean same = Util.<Integer, String>compare(p1, p2);

边界符

现在我们要实现这样一个功能，查找一个泛型数组中大于某个特定元素的个数，我们可以这样实现：

public static <T> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {    int count = 0;    for (T e : anArray)        if (e > elem)  // compiler error            ++count;    return count;}

但是这样很明显是错误的，因为除了short, int, double, long, float, byte, char等原始类型，其他的类并不一定能使用操作符>，所以编译器报错，那怎么解决这个问题呢？答案是使用边界符。

public interface Comparable<T> {    public int compareTo(T o);}

做一个类似于下面这样的声明，这样就等于告诉编译器类型参数T代表的都是实现了Comparable接口的类，这样等于告诉编译器它们都至少实现了compareTo方法。

public static <T extends Comparable<T>> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {    int count = 0;    for (T e : anArray)        if (e.compareTo(elem) > 0)            ++count;    return count;}

关于协变

定义：

逆变与协变用来描述类型转换（type transformation）后的继承关系，其定义：如果A、B表示类型，f(⋅)表示类型转换，≤表示继承关系（比如，A≤B表示A是由B派生出来的子类）；

f(⋅)是逆变（contravariant）的，当A≤B时有f(B)≤f(A)成立；
f(⋅)是协变（covariant）的，当A≤B时有成立f(A)≤f(B)成立；
f(⋅)是不变（invariant）的，当A≤B时上述两个式子均不成立，即f(A)与f(B)相互之间没有继承关系。

具体可以参考维基百科-协变与逆变。

数组是协变的

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）。

数组为什么要设计为协变呢？
因为SE5之前还没有泛型，但很多代码迫切需要泛型来解决问题。
举个例子，比较两个数组是否“值相等“的Arrays.equals( )方法。因为底层实现调用的是Object.equals( )方法，和数组中元素的具体类型无关。

for (int i=0; i<length; i++) {    Object o1 = a[i];    Object o2 = a2[i];    if (!(o1==null ? o2==null : o1.equals(o2)))        return false;}

所以不想让每个类型都要重新定义Arrays.equals( )方法。而是”泛化“地接受任何元素类型的数组为参数，就像现在这样：

public static boolean equals(Object[] a, Object[] a2) {    ... ...}

要让Object[]能接受所有数组类型，那个时候又没有泛型，最简单的办法就是让数组接受协变，把String[]，Integer[]都定义成Object[]的派生类，然后多态就起作用了。

但为什么数组设计成”协变“不会有大问题呢？这是基于数组的一个独有特性：数组记得它内部元素的具体类型，并且会在运行时做类型检查。

来看一个例子：

Number[] num = new Integer[10]; num[0] = 2.1;     //Error

num变量记得它内部元素是Integer。所以运行时给它插入double型的时候不让执行。
这反而是数组的优点，也是当初”敢于“把数组设计成协变的原因。虽然向上转型以后，编译期类型检查放松了，但因为数组运行时对内部元素类型看得紧，不匹配的类型还是插不进去的。

泛型是不协变的

还是借用我们上面定义的Box类，假设我们添加一个这样的方法：

public void boxTest(Box<Number> n) { /* ... */ }

那么现在Box< Number > n允许接受什么类型的参数？我们是否能够传入Box< Integer >或者Box< Double >呢？答案是否定的，虽然Integer和Double是Number的子类，但是在泛型中Box< Integer >或者Box< Double >与Box< Number >之间并没有任何的关系。这一点非常重要，接下来我们通过一个完整的例子来加深一下理解。

首先我们先定义几个简单的类，下面我们将用到它：

class Fruit {}class Apple extends Fruit {}class Orange extends Fruit {}

下面这个例子中，我们创建了一个泛型类Reader，然后在f1()中当我们尝试Fruit f = fruitReader.readExact(apples);编译器会报错，因为List< Fruit >与List< Apple >之间并没有任何的关系。

public class GenericReading {    static List<Apple> apples = Arrays.asList(new Apple());    static List<Fruit> fruit = Arrays.asList(new Fruit());    static class Reader<T> {        T readExact(List<T> list) {            return list.get(0);        }    }    static void f1() {        Reader<Fruit> fruitReader = new Reader<Fruit>();        // Errors: List<Fruit> cannot be applied to List<Apple>.        // Fruit f = fruitReader.readExact(apples);    }    public static void main(String[] args) {        f1();    }}

但是按照我们通常的思维习惯，Apple和Fruit之间肯定是存在联系，然而编译器却无法识别，那怎么在泛型代码中解决这个问题呢？

通配符

继续上面的问题，我们可以通过使用通配符来解决这个问题：

static class CovariantReader<T> {    T readCovariant(List<? extends T> list) {        return list.get(0);    }}static void f2() {    CovariantReader<Fruit> fruitReader = new CovariantReader<Fruit>();    Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);    Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);}public static void main(String[] args) {    f2();}

这样就相当与告诉编译器， fruitReader的readCovariant方法接受的参数只要是满足Fruit的子类就行(包括Fruit自身)，这样子类和父类之间的关系也就关联上了。

PECS原则

什么是PECS？PECS指“Producer Extends，Consumer Super”。换句话说，如果参数化类型表示一个生产者，就使用< ? extends T >；如果它表示一个消费者，就使用< ? super T >。

上面我们看到了类似

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 Orange())        // 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);    }}

答案是否定，Java编译器不允许我们这样做，为什么呢？对于这个问题我们不妨从编译器的角度去考虑。因为List

List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Fruit>();List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Orange>();

当我们尝试add一个Apple的时候，flist可能指向new ArrayList< Orange >();
当我们尝试add一个Orange的时候，flist可能指向new ArrayList< Apple >();
当我们尝试add一个Fruit的时候，这个Fruit可以是任何类型的Fruit，而flist可能只想某种特定类型的Fruit，编译器无法识别所以会报错。

所以对于实现了< ? extends T >的集合类只能将它视为Producer向外提供(get)元素，而不能作为Consumer来对外获取(add)元素。

如果我们要add元素应该怎么做呢？可以使用< ? super T >：

public class GenericWriting {    static List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>();    static List<Fruit> fruit = new ArrayList<Fruit>();    static <T> void writeExact(List<T> list, T item) {        list.add(item);    }    static void f1() {        writeExact(apples, new Apple());        writeExact(fruit, new Apple());    }    static <T> void writeWithWildcard(List<? super T> list, T item) {        list.add(item)    }    static void f2() {        writeWithWildcard(apples, new Apple());        writeWithWildcard(fruit, new Apple());    }    public static void main(String[] args) {        f1(); f2();    }}

这样我们可以往容器里面添加元素了，但是使用super的坏处是以后不能get容器里面的元素了，原因很简单，我们继续从编译器的角度考虑这个问题，对于List< ? super Apple > list，它可以有下面几种含义：

List<? super Apple> list = new ArrayList<Apple>();List<? super Apple> list = new ArrayList<Fruit>();List<? super Apple> list = new ArrayList<Object>();

当我们尝试通过list来get一个Apple的时候，可能会get得到一个Fruit，这个Fruit可以是Orange等其他类型的Fruit。

总结：
1.”Producer Extends” – 如果你需要一个只读List，用它来produce T，那么使用< ? extends T >。
2.”Consumer Super” – 如果你需要一个只写List，用它来consume T，那么使用< ? super T >。
3.如果需要同时读取以及写入，那么我们就不能使用通配符了。

如何阅读过一些Java集合类的源码，可以发现通常我们会将两者结合起来一起用，比如像下面这样：

public class Collections {    public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {        for (int i=0; i<src.size(); i++)            dest.set(i, src.get(i));    }}

类型擦除

Java泛型中最令人苦恼的地方或许就是类型擦除了，特别是对于有C++经验的程序员。类型擦除就是说Java泛型只能用于在编译期间的静态类型检查，然后编译器生成的代码会擦除相应的类型信息，这样到了运行期间实际上JVM根本就不知道泛型所代表的具体类型。这样做的目的是因为Java泛型是1.5之后才被引入的，为了保持向下的兼容性，所以只能做类型擦除来兼容以前的非泛型代码。对于这一点，如果阅读Java集合框架的源码，可以发现有些类其实并不支持泛型。

说了这么多，那么类型擦除到底是什么意思呢？我们先来看一下下面这个简单的例子：

public class Node<T> {    private T data;    private Node<T> next;    public Node(T data, Node<T> next) {        this.data = data;        this.next = next;    }    public T getData() { return data; }    // ...}

编译器做完相应的类型检查之后，实际上到了运行期间上面这段代码实际上将转换成：

public class Node {    private Object data;    private Node next;    public Node(Object data, Node next) {        this.data = data;        this.next = next;    }    public Object getData() { return data; }    // ...}

这意味着不管我们声明Node< String >还是Node< Integer >，到了运行期间，JVM统统视为Node< Object >。

有没有什么办法可以解决这个问题呢？这就需要我们自己重新设置边界了，将上面的代码修改成下面这样：

public class Node<T extends Comparable<T>> {    private T data;    private Node<T> next;    public Node(T data, Node<T> next) {        this.data = data;        this.next = next;    }    public T getData() { return data; }    // ...}

这样编译器就会将T出现的地方替换成Comparable而不再是默认的Object了：

public class Node {    private Comparable data;    private Node next;    public Node(Comparable data, Node next) {        this.data = data;        this.next = next;    }    public Comparable getData() { return data; }    // ...}

上面的概念或许还是比较好理解，但其实泛型擦除带来的问题远远不止这些，接下来我们系统地来看一下类型擦除所带来的一些问题，有些问题在C++的泛型中可能不会遇见，但是在Java中却需要格外小心。

问题一

Java中不允许创建泛型数组，类似下面这样的做法编译器会报错：

List<Integer>[] arrayOfLists = new List<Integer>[2];  // compile-time error

为什么编译器不支持上面这样的做法呢？继续使用逆向思维，我们站在编译器的角度来考虑这个问题。

我们先来看一下下面这个例子：

Object[] strings = new String[2];strings[0] = "hi";   // OKstrings[1] = 100;    // An ArrayStoreException is thrown.

对于上面这段代码还是很好理解，字符串数组不能存放整型元素，而且这样的错误往往要等到代码运行的时候才能发现，编译器是无法识别的。接下来我们再来看一下假设Java支持泛型数组的创建会出现什么后果：

Object[] stringLists = new List<String>[];  // compiler error, but pretend it's allowedstringLists[0] = new ArrayList<String>();   // OK// An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can't detect it.stringLists[1] = new ArrayList<Integer>();

假设我们支持泛型数组的创建，由于运行时期类型信息已经被擦除，JVM实际上根本就不知道new ArrayList< String >()和new ArrayList< Integer >()的区别。类似这样的错误假如出现才实际的应用场景中，将非常难以察觉。

如果你对上面这一点还抱有怀疑的话，可以尝试运行下面这段代码：

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); // true    }}

问题二

继续复用我们上面的Node的类，对于泛型代码，Java编译器实际上还会偷偷帮我们实现一个Bridge method。

public class Node<T> {    public T data;    public Node(T data) { this.data = data; }    public void setData(T data) {        System.out.println("Node.setData");        this.data = data;    }}public class MyNode extends Node<Integer> {    public MyNode(Integer data) { super(data); }    public void setData(Integer data) {        System.out.println("MyNode.setData");        super.setData(data);    }}

看完上面的分析之后，你可能会认为在类型擦除后，编译器会将Node和MyNode变成下面这样：

public class Node {    public Object data;    public Node(Object data) { this.data = data; }    public void setData(Object data) {        System.out.println("Node.setData");        this.data = data;    }}public class MyNode extends Node {    public MyNode(Integer data) { super(data); }    public void setData(Integer data) {        System.out.println("MyNode.setData");        super.setData(data);    }}

实际上不是这样的，我们先来看一下下面这段代码，这段代码运行的时候会抛出ClassCastException异常，提示String无法转换成Integer：

MyNode mn = new MyNode(5);Node n = mn; // A raw type - compiler throws an unchecked warningn.setData("Hello"); // Causes a ClassCastException to be thrown.// Integer x = mn.data;

如果按照我们上面生成的代码，运行到第3行的时候不应该报错(注意我注释掉了第4行)，因为MyNode中不存在setData(String data)方法，所以只能调用父类Node的setData(Object data)方法，既然这样上面的第3行代码不应该报错，因为String当然可以转换成Object了，那ClassCastException到底是怎么抛出的？

实际上Java编译器对上面代码自动还做了一个处理：

class MyNode extends Node {    // Bridge method generated by the compiler    public void setData(Object data) {        setData((Integer) data);    }    public void setData(Integer data) {        System.out.println("MyNode.setData");        super.setData(data);    }    // ...}

问题三

正如我们上面提到的，Java泛型很大程度上只能提供静态类型检查，然后类型的信息就会被擦除，所以像下面这样利用类型参数创建实例的做法编译器不会通过：

public static <E> void append(List<E> list) {    E elem = new E();  // compile-time error    list.add(elem);}

但是如果某些场景我们想要需要利用类型参数创建实例，我们应该怎么做呢？可以利用反射解决这个问题：

public static <E> void append(List<E> list, Class<E> cls) throws Exception {    E elem = cls.newInstance();   // OK    list.add(elem);}

我们可以像下面这样调用：

List<String> ls = new ArrayList<>();append(ls, String.class);

实际上对于上面这个问题，还可以采用Factory和Template两种设计模式解决，感兴趣的朋友不妨去看一下Thinking in Java中第15章中关于Creating instance of types(英文版第664页)的讲解，这里我们就不深入了。

问题四

我们无法对泛型代码直接使用instanceof关键字，因为Java编译器在生成代码的时候会擦除所有相关泛型的类型信息，正如我们上面验证过的JVM在运行时期无法识别出ArrayList< Integer >和ArrayList< String >的之间的区别：

public static <E> void rtti(List<E> list) {    if (list instanceof ArrayList<Integer>) {  // compile-time error        // ...    }}=> { ArrayList<Integer>, ArrayList<String>, LinkedList<Character>, ... }

和上面一样，我们可以使用通配符重新设置边界来解决这个问题：

public static void rtti(List<?> list) {    if (list instanceof ArrayList<?>) {  // OK; instanceof requires a reifiable type        // ...    }}

参考：
1.维基百科-协变与逆变
2.Java中的逆变与协变
3.知乎问题——java中，数组为什么要设计为协变？中胖胖的回答
4.Java泛型详解
5.Java 理论和实践——了解泛型
6.Java总结篇系列：Java泛型