JDK1.5新特性之Java Generics

1         直观印象

在JDK1.5之前的版本中，对于一个Collection类库中的容器类实例，可将任意类型

对象加入其中（都被当作Object实例看待）；从容器中取出的对象也只是一个Object实例，需要将其强制转型为期待的类型，这种强制转型的运行时正确性由程序员自行保证。

例如以下代码片断：

 

List intList = new ArrayList(); //创建一个List，准备存放一些Integer实例

intList.add(new Integer(0));

intList.add(“1”); //不小心加入了一个字符串；但在编译和运行时都不报错，只有仔细的代码走
                       //才能揪出

Integer i0 = (Integer)intList.get(0);

Integer i1 = (Integer)intList.get(1); //编译通过，直到运行时才抛ClassCastException

      

而在JDK1.5中，可以创建一个明确只能存放某种特定类型对象的容器类实例，例如如下代码：

 

List<Integer> intList = new ArrayList<Integer>(); //intList为存放Integer实例的List

intList.add(new Integer(0));

Integer i0 = intList.get(0); //无需(Integer)强制转型；List<Integer>的get()返回的就是Integer类
                                    //型对象

intList.add(“1”); //编译不通过，因为List<Integer>的add()方法只接受Integer类型的参数

 

       “List<Integer> intList = new ArrayList<Integer>();”就是最简单且最常用的Generic应用；显然，运用Generic后的代码更具可读性和健壮性。

2         类Generic

JDK1.5中Collection类库的大部分类都被改进为Generic类。以下是从JDK1.5源码中

截取的关于List和Iterator接口定义的代码片断：

 

public interface List<E> {

       void add(E x);

       Iterator<E> iterator;

}

public interface Iterator<E> {

       E next();

       boolean hasNext();

}

 

以List为例，“public interface List<E>”中的E是List的类型参数，用户在使用List

时可为类型参数指定一个确定类型值（如List<Integer>）。类型值为Java编译器所用，确保用户代码类型安全。例如，编译器知道List<Integer>的add()方法只接受Integer类型的参数，因此如果你在代码中将一个字符串传入add()将导致编译错误；编译器知道Iterator<Integer>的next()方法返回一个Integer的实例，你在代码中也就无需对返回结果进行(Integer)强制转型。代码检验通过（语法正确且不会导致运行时类型安全问题）后，编译器对现有代码有一个转换工作。简单的说，就是去除代码中的类型值信息，在必要处添加转型代码。例如如下代码：

 

public String demo() {

       List<String> strList = new ArrayList<String>();

       strList.add(“Hello!”);

       return strList.get(0);

}

 

编译器在检验通过后，将其转换为：

 

public String demo() {

       List strList = new ArrayList(); //去除类型值<String>

       strList.add(“Hello!”);

       return (String)strList.get(0);  //添加转型动作代码(String)

}

 

       可见，类型值信息只为Java编译器在编译时所用，确保代码无类型安全问题；验证通过之后，即被去除。对于JVM而言，只有如JDK1.5之前版本一样的List，并无List<Integer>和List<String>之分。这也就是Java Generics实现中关键技术Erasure的基本思想。以下代码在控制台输出的就是“true”。

 

List<String> strList = new ArrayList<String>();

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

System.out.println(strList.getClass() == intList.getClass());

 

       可以将Generic理解为：为提高Java代码类型安全性（在编译时确保，而非等到运行时才暴露），Java代码与Java编译器之间新增的一种约定规范。Java编译器在编译结果*.class文件中供JVM读取的部分里没有保留Generic的任何信息；JVM看不到Generic的存在。

       对于Generic类（设为GenericClass）的类型参数（设为T）：

1)        由于对于JVM而言，只有一个GenericClass类，所以GenericClass类的静态字段和静态方法的定义中不能使用T。T只能出现在GenericClass的非静态字段或非静态方法中。也即T是与GenericClass的实例相关的信息；

2)        T只在编译时被编译器理解，因此也就不能与运行时被JVM理解并执行其代表的操作的操作符（如instanceof 和new）联用。

 

class GenericClass<T> {

    T t1;

    publicvoid method1(T t){

       t1 = new T(); //编译错误，T不能与new联用

       if (t1instanceof T) {}; //编译错误，T不能与instanceof联用

    };

    static T t2; //编译错误，静态字段不能使用T

    publicstaticvoid method2(T t){};//编译错误，静态方法不能使用T

}

 

       Generic类可以有多个类型参数，且类型参数命名一般为大写单字符。例如Collection类库中的Map声明为：

 

public interface Map<K,V> {

       ……;

}

3         类和原（Raw）类Generic

对每一个Generic类，用户在使用时可以不指定类型参数。例如，对于List<E>，用户

可以以“List<String> list;”方式使用，也可以以“List list;”方式使用。“List<String>”被称为参数化的Generic类（类型参数被赋值），而“List”称为原类。原类List的使用方式和效果与JDK1.5之前版本List的一样；使用原类也就失去了Generic带来的可读性和健壮性的增强。

       允许原类使用方式的存在显然是为了代码的向前兼容：即JDK1.5之前的代码在JDK1.5下仍然编译通过且正常运行。

       当你在JDK1.5中使用原类并向原类实例中添加对象时，编译器会产生警告，因为它无法保证待添加对象类型的正确性。编译通过是为了保证代码向前兼容，产生警告是提醒潜在的风险。

 

publicvoid test () {

    List list = new ArrayList();

    list.add("tt");//JDK1.5编译器对此行产生警告

}

 

4         类和子类Generic

List<String> ls = new ArrayList<String>();

List<Object> lo = ls; //编译错误：Type mismatch: cannot convert from List<Dummy> to 
                                                           //List<Object>

 

以上第二行代码导致的编译错误“Type mismatch: cannot convert from List<Dummy> to

List<Object>”是不是有点出人意料？直观上看，就像String是Object的子类，因此‘Object o = “String”’合法一样，存放String的List是存放Object的List的子类，因此第二行应该是合法的。反过来分析，如果第二行是合法的，那么如下会导致运行时异常的代码也是合法的：

 

lo.add(new Object); //会导致在ls中添加了非String对象

String s = ls.get(0); //ls.get(0)返回的实际上只是一个Object实例，会导致ClassCastException

 

       编译器显然不允许此种情形发生，因此不允许“List<Object> lo = ls”编译通过。

       因此，直观上的“存放String的List是存放Object的List的子类”是错误的。更一般的说，设Foo是Bar的子类，G是Generic类型声明，G<Foo>不是G<Bar>的子类。

5         参数化的Generic类和数组

我们知道，如果T是S的子类，则T[]也是S[]的子类。因此，如下代码编译通过，只

在运行时于第三行代码处抛ArrayStoreException。

 

String[] words = new String[10];

Object[] objects = words;

Objects[0] = new Object(); //编译通过，但运行时会抛ArrayStoreException

 

再分析如下代码：

 

List<String>[] wordLists = new ArrayList<String>[10];

ArrayList<Integer> integerList = new ArrayList<Integer>();

integerList.add(123);

Object[] objects = wordLists;

objects[0] = integerList;//运行时不出错，因为运行时ArrayList<String>和ArrayList<Integer>都
                                 //为ArrayList

String s = wordlists[0].get(0); //编译通过，运行时抛ClassCastException

 

       就出现了“正确使用了Generic，但在运行时仍然出现ClassCastException”的情形。显然Java编译器不允许此种情形的发生。事实上，以上代码的第一行“List<String>[] wordLists = new ArrayList<String>[10];”就是编译不通过的，也就不存在接下来的代码。

更一般地说，不能创建参数化的Generic类的数组。

6         类型参数通配符?

由“Generic类和子类”节知，Collection<Object>不是存放其它类型对象的Collection（例

如Collection<String>）的基类（抽象），那么如何表示任一种参数化的Collection的呢？使用Collection<?>。？即代表任一类型参数值。例如，我们可以很容易写出下面的通用函数printCollection()：

 

public static void printCollection(Collection<?> c) {

    //如此遍历Collection的简洁方式也是JDK1.5新引入的

       for (Object o : c) {

              System.out.println(o);

    }

}

 

       这样，既可以将Collection<String>的实例，也可以将Collection<Integer>的实例作为参数调用printCollection()方法。

       然而，要注意一点，你不能往Collection<?>容器实例中加入任何非null元素，例如如下代码的第三行编译不通过：

 

public static void testAdd(Collection<?> c) {

       c.add(null); //编译通过

       c.add(“test”); //编译错误

}

 

       很好理解：c中要存放的对象的具体类型不确定，编译器无法验证待添加对象类型的正确性，因此不能加入对象实例；而null可以看作是任一个类的实例，因而允许加入。

       另外，尽管c中要存放的对象的类型不确定，但我们知道任何类都是Object子类，因此从c中取出的对象都统一作为Object实例。

       更进一步，如果BaseClass代表某个可被继承的类的类名，那么Collection<? extends BaseClass>代表类型参数值为BaseClass或BaseClass某个子类的任一参数化Collection。对于Collection<? extends BaseClass>的实例c，因为c中要存放的对象具体类型不确定，不能往其加入非null对象，但从c中取出的对象都统一作为BaseClass实例。事实上，你可以把Collection<?>看作Collection<? extends Object>的简洁形式。

       另一种情形：如果SubClass代表任一个类的类名，那么Collection<? super SubClass>代表类型参数值为SubClass或SubClass某个祖先类的任一参数化Collection。对于Collection<? super SubClass>的实例c，你可以将SubClass实例加入其中，但从中取出的对象都是Object实例。

7         方法Generic

我们可以定义Generic类，同样可以定义Generic方法，即将方法的一个或多个参数的类型参数化，如代码：

 

public static <T> void fromArrayToCollection(T[] a, Collection<T> c) {

       for (T o : a) {

           c.add(o); //合法。注意与Collection<?>的区别

    }

}

 

       我们可以以如下方式调用fromArrayToCollection()：

 

Object[] oa = new Object[100];

Collection<Object> co = new ArrayList<Object>();

fromArrayToCollection(oa, co); //此时，T即为Object

 

String[] sa = new String[100];

Collection<String> cs = new ArrayList<String>();

fromArrayToCollection(sa, cs); //此时，T即为String

fromArrayToCollection(sa, co); //此时，T即为Object

 

Integer[] ia = new Integer[100];

Float[] fa = new Float[100];

Number[] na = new Number[100];

Collection<Number> cn = new ArrayList<Number>();

fromArrayToCollection(ia, cn); //此时，T即为Number

fromArrayToCollection(fa, cn); //此时，T即为Number

fromArrayToCollection(na, cn); //此时，T即为Number

fromArrayToCollection(na, co); //此时，T即为Object

fromArrayToCollection(na, cs); //编译错误

 

       通过以上代码可以看出，我们在调用fromArrayToCollection()时，无需明确指定T为何种类型（与Generic类的使用方式不同），而是像调用一般method一样，直接提供参数值，编译器会根据提供的参数值自动为T赋类型值或提示编译错误（参数值不当）。

       考虑如下函数sum()

 

publicstaticlong sum(Collection<? extends Number> numbers) {

    long sum = 0;

    for (Number n : numbers) {

       sum += n.longValue();

    }

    return sum;

}

 

       我们也可以将其以Generic方法实现：

 

publicstatic <T extends Number> long sum(Collection<T> numbers) {

    long sum = 0;

    for (Number n : numbers) {

       sum += n.longValue();

    }

    return sum;

}

 

       那么对于一个方法，当要求参数类型可变时，是采用Generic方法，还是采用类型参数通配符方式呢？一般而言，如果参数类型间或参数类型与返回值类型间存在某种依赖关系，则采取Generic方法，否则采取类型参数通配符方式。

       这一原则在Collection类库的源代码中得到了很好的体现，例如Collection接口的containsAll()、addAll()和toArray()方法：

 

interface Collection<E> {

       public boolean containsAll(Collecion<?> c); //参数间类型以及参数与返回
                                                                    //值间类型无依赖

       <T> T[] toArray(T[] a); //参数a与返回值都是相同类的数组，有依赖

}

 

       当然，根据需要，二者也可以结合使用，例如Collections中的copy()方法：

      

class Collections {

       public static <T> void copy(List<T> dest, List<? extends T> src) {

           …….

       }

}