详解 Java 泛型机制

作者: 小城哇哇 | 来源:发表于2022-11-09 22:21 被阅读0次

泛型是什么？

使用泛型可以指定类型变量，从而让代码可以对不同类型的对象进行重用。以及，还可以让编译器更好的了解类型，从而避免强制类型转换，提升代码的安全性。

类型变量就是尖括号 <>中的变量，类型变量的命名规范是使用大写字母，例如 E 表示元素类型，K、V 分别表示键和值类型，T 和相邻的 U、S 表示任意类型。当然你也可以起其他的名字，编译器对此并没有强制限制，但是还是按照规范来。

泛型类

泛型类（generic class）就是有一个或多个类型变量的类。例如下面的 Pair 类，就有两个类型变量，分别是 T 和 U：

public class Pair<T, U> {
  public T first;
  public U second;

  public Pair(T first, U second) {
    this.first = first;
    this.second = second;
  }
}

在使用时，就可以传入任意的类型。例如：

Pair<Integer, String> pair = new Pair<>(1, "A");

思考一下，如果没有泛型的存在，那么当我们要操作不同类型的对象时，要么为每种类型都创建一个类，但是这样就会存在大量的重复代码，不容易维护。要么就直接使用对象的顶级父类 Object 类，但是这样的话在使用时就需要进行强制转换，存在安全问题，即使每次强转前进行判断，也会存在重复代码和遗漏的风险。

说回泛型类，泛型类的类型变量是定义在类名后面，在整个类中都可以使用定义的类型变量。所以在选择使用泛型类时，泛型变量应该是和类所关联的。如果仅与方法关联，那么可以使用泛型方法。

泛型方法

泛型方法的类型参数是定义在方法返回类型的前面的，只在当前方法中可以使用。例如：

public static <T> T getMiddle(T... a) {
  return a[a.length / 2];
}

泛型方法可以在普通类中定义，也可以在泛型类中定义。如果泛型变量仅在方法内会用到，就可以考虑使用泛型方法。

类型变量的限制

默认情况下，类型变量可以是任何类型。但是有时候，我们需要限制类型变量的类型。此时可以通过 extends关键字来限制：

<T extends UpperBoundType> 限制泛型类型为特定类型或者特定类型的子类

例如，假设我们有一个 Printer 类，我们只需要这个类打印动物的信息，那么就可以使用 <T extends Animal> 来限制只能接收 Animal 或其实现类：

public interface Animal {
  String getName();
}

public static class Printer<T extends Animal> {
  public void print(T t) {
    System.out.println(t.getName());
  }
}

public static class Dog implements Animal {
  @Override
  public String getName() {
    return "Woof";
  }
}

public static class Cat implements Animal {
  @Override
  public String getName() {
    return "Meow";
  }
}

public static void main(String[] args) {
  Printer<Animal> animalPrinter = new Printer<>();
  animalPrinter.print(new Dog());
  animalPrinter.print(new Cat());
  animalPrinter.print(new People("Abc")); // 如果试图传入一个其他类型，则会编译失败
}

一个类型变量，可以指定多个限制类型。例如：

public class Printer<T extends Dog & Animal> {
  ...
}

上面的限制的意思是，类型变量必须是 Dog 或其子类，并且实现了 Animal 接口。需要注意的是，在指定多个限制的类型时，除了第一个限制类型可以是类以外，其他的限制类型必须是接口类型。这是因为 Java 是不支持多重继承的。

类型擦除

由于泛型是在 Java 1.5 才推出的，所以 Java 为了保证在之前版本上的兼容性，泛型实际上在 JVM 中是没有的！

也就是说，编译器在编译时会擦除掉泛型的参数类型，并提供一个相应的原始类型（raw type），这个原始类型的名字就是去掉类型参数后的泛型类型名。类型变量会被擦除（erased），并替换为其限定类型，没有限定类型则替换为 Object 类型。

举个例子，如果我们定义了一个泛型类：

public class Printer<T> {
  ...
}

那么当类型擦除后，实际上就变为了 Printer<Object> 类型。

如果指定了限定类型，例如：

public class Printer<T extends Animal> {
  ...
}

那么擦除后，就变为了 Printer<Animal> 类型。

如果指定了多个限定的类型，那么擦除后就会是第一个限定的类型。例如：

public class Printer<T extends Dog & Animal> {
  ...
}

擦除后就变为了 Printer<Dog>类型。

Java 泛型的很多限制都是由于泛型擦除导致的，下面会详细介绍下泛型的局限性。

通配符

通配符（Wildcard）就是 Java 泛型中的问号 ? 。要想知道通配符是要解决什么样的问题，我觉得首先需要知道什么是 Variance（不知道这个正确的译名是什么，如有知道请留言）？

提到 Variance 必须先提到子类型（subtyping），子类型是面向对象中类型多态的其中一种表现形式，主要用于描述 is-a 这样的关系，例如 S 是 T 的子类型，那么 S is a subtype of T。

Variance 指的是如何根据组成类型之间的子类型关系，来确定更复杂的类型之间的子类型关系。

上面这段话比较绕，举个实际的例子来说，Variance 指的就是当子类型在更复杂的场景下，例如 If S is a subtype of T，那 Generic<S> is subtype of Generic<T> 这种关系是否还能成立。

Variance 分为下面几种形式：

不变（Invariance）：如果 B 是 A 的子类型，那么 Generic<B> 不是 Generic<A> 的子类型。
协变（Covariance）：如果 B 是 A 的子类型，那么 Generic<B> 是 Generic<A> 的子类型。
逆变（Contravariance）：如果 B 是 A 的子类型，那么 Generic<A> 是 Generic<B> 的子类型（逆变就是逆转了子类型关系）。
双变（Bi-variance）：Java 中不存在双变，因此不讨论。

在 Java 当中，泛型是不变的，这也就意味着下面这段看似没问题的代码会报错：

List<Dog> dogs = new ArrayList<>();
List<Animal> animals = dogs; // 编译报错

因为按照不变的说明，List<Dog> 根本就不是 List<Animal> 的子类型，所以自然就不能赋值了。

Java 中的泛型采用不变性是为了保证类型安全。不过不变性虽然保证了类型安全，但是也让灵活性大大降低。为此，Java 提供了通配符，可以解除部分这种限制，也不损失安全性。

上界通配符

上界通配符的形式为：? extends Type，使用上限通配符可以将类型参数变为协变的，这就可以让原本无法赋值的类型可以正常赋值了。但是这在解除不变性限制的同时，也带来了新的限制，就是参数类型只能作为返回值类型，无法作为入参的类型。例如：

List<? extends Animal> animals = new ArrayList<Dog>(); // 可以正确赋值了
animals.add(new Dog()); // 编译错误，类型不匹配，无法写入，除非写入 null（也就是参数类型无法作为入参的类型）
Animal animal = animals.get(0); // 可以获取（也就是参数类型可作为返回值类型）

这就叫当上帝给你关了一扇门，同时会帮你打开一扇窗。尽管窗户有个洞，但总比没有好吧？你说是不是？

下界通配符

下界通配符的形式为：? super Type，使用下界通配符可以将类型参数变为逆变的，也就是说颠倒了类型关系，父类型可以赋值给子类型了！例如：

List<Animal> animals = new ArrayList<>();
List<? super Dog> dogs = animals; // 可以正确赋值！

看起来挺神奇的吧！这种方式同样也带来了新的限制，在使用这种变量的时候，不可以调用返回值包含类型参数的方法，也不能获得包含类型参数的字段值。简单来说，就是只能作为输入，但是不能输出。例如：

dogs.add(new Dog()); // 可以写入
Dog dog = dogs.get(0); // 编译报错，类型不匹配： Required type: Dog  Provided: capture of ? super Dog

对于获取时编译报类型不匹配的问题，其实可以通过类型强制转换来解决。

无界通配符

无界通配符的形式就是一个单独的问号 ?。当我们对类型参数一无所知，但仍然希望以安全的方式使用它时，则可以考虑使用无界通配符。例如：

public static boolean hasNull(Pair<?> p) {
  return p.first != null && p.second != null;
}

反射和泛型

因为泛型擦除，所以无法在反射时获取泛型类型。但是擦除的类依然保留原先泛型的微弱记忆。例如，如果定义了以下泛型方法：

public static <T extends Comparable<? super T>> T min(T[] a)

那么，可以通过反射可以获取到以下信息：

public static Comparable min(Comparable[] a)

也就是说，我们可以重新构造实现者声明的泛型类和方法的有关内容。但是，不会知道对于特定的对象或方法调用会如何解析类型参数。

为了表述泛型类型声明，可以使用 java.lang.reflect包中的接口 Type。这个接口包含以下子类型：

Class 类：描述具体类型
TypeVariable 接口：描述类型变量（如 T extends Comparable<? super T>）
WildcardType 接口：描述通配符（如 ? super T）
ParameterizedType 接口：描述泛型类或接口类型（如 Comparable<? super T>）
GenericArrrayType 接口：描述泛型数组（如 T[]）

下面的这个示例程序，就是通过反射来打印指定类的信息：

public class GenericReflectionTest {
  public static void main(String[] args) {
    String className;
    try (Scanner scanner = new Scanner(System.in)) {
      System.out.println("Enter class name (e.g., java.util.Collections): ");
      className = scanner.next();
    }
    try {
      Class<?> cl = Class.forName(className);
      ClassPrinter.print(cl);
    } catch (ClassNotFoundException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

  public static class ClassPrinter {
    public static void print(Class<?> cl) {
      System.out.print(cl);
      printTypes(cl.getTypeParameters(), "<", ", ", ">", true);
      final Type sc = cl.getGenericSuperclass();
      if (sc != null) {
        System.out.print(" extends ");
        printType(sc, false);
      }
      printTypes(cl.getGenericInterfaces(), " implements ", ", ", "", false);
      System.out.print(" {");
      System.out.println();

      final Method[] methods = cl.getDeclaredMethods();
      for (int i = 0; i < methods.length; i++) {
        final Method method = methods[i];
        printMethod(method);
        if (i < methods.length - 1) {
          System.out.println();
        }
      }

      System.out.println();
      System.out.print("}");
    }

    private static void printTypes(Type[] types, String pre, String sep, String suf, boolean isDefinition) {
      if (pre.equals(" extends ") && Arrays.equals(types, new Type[]{Object.class})) {
        return;
      }
      if (types.length > 0) {
        System.out.print(pre);
      }
      for (int i = 0; i < types.length; i++) {
        if (i > 0) {
          System.out.print(sep);
        }
        printType(types[i], isDefinition);
      }
      if (types.length > 0) {
        System.out.print(suf);
      }
    }

    private static void printType(Type type, boolean isDefinition) {
      if (type instanceof Class) { // 具体类型
        Class<?> cl = (Class<?>) type;
        System.out.print(cl.getName());
      } else if (type instanceof TypeVariable) { // 类型变量
        TypeVariable<?> tv = (TypeVariable<?>) type;
        System.out.print(tv.getName());
        if (isDefinition) {
          printTypes(tv.getBounds(), " extends ", " & ", "", false);
        }
      } else if (type instanceof WildcardType) { // 通配符
        WildcardType wt = (WildcardType) type;
        System.out.print("?");
        printTypes(wt.getUpperBounds(), " extends ", " & ", "", false);
        printTypes(wt.getLowerBounds(), " super ", " & ", "", false);
      } else if (type instanceof ParameterizedType) { // 泛型类或接口类型
        ParameterizedType pt = (ParameterizedType) type;
        Type ownerType = pt.getOwnerType();
        if (ownerType != null) {
          printType(ownerType, false);
        }
        printType(pt.getRawType(), false);
        printTypes(pt.getActualTypeArguments(), "<", ", ", ">", false);
      } else if (type instanceof GenericArrayType) { // 泛型数组
        GenericArrayType gat = (GenericArrayType) type;
        printType(gat.getGenericComponentType(), isDefinition);
        System.out.print("[]");
      } else {
        System.out.print("unknown type: " + type);
      }
    }

    private static void printMethod(Method m) {
      final String name = m.getName();
      System.out.print("  ");
      System.out.print(Modifier.toString(m.getModifiers()));
      System.out.print(" ");
      printTypes(m.getTypeParameters(), "<", ", ", ">", true);

      printType(m.getGenericReturnType(), false);
      System.out.print(" ");
      System.out.print(name);
      System.out.print("(");
      printTypes(m.getGenericParameterTypes(), "", ", ", "", false);
      System.out.print(")");
    }
  }
}

以下面的这个测试类为例：

public class TestClass<T extends Comparable<? super T>> implements Cloneable {
  public void test(T t) {
    System.out.println(t);
  }
}

运行上面的程序的输出结果是：

class com.airsaid.java.samples.generic.TestClass<T extends java.lang.Comparable<? super T>> extends java.lang.Object implements java.lang.Cloneable {
  public void test(T)
}

可以看到，可以获取到该泛型类所定义的泛型信息。

类型字面量

有时候，我们确实需要在运行时获取泛型的参数类型，那么真的就没有办法了吗？

答案是有的，在上面反射的例子中我们可以看到，字节码当中其实保存了部分的泛型信息（签名信息）。

举一个实际场景的例子，Gson 这个框架相信大家都用过。在进行反序列化时，有多个重载方法：

fromJson(String json, Class cl)
fromJson(String json, TypeToken type)

当使用第一个方法时，如果第二个参数是一个泛型类的 class 对象，那么就会出现问题。例如下面的这段示例代码：

Foo<DataBean> foo = new Foo<DataBean>();
gson.fromJson(json, foo.getClass());

这是因为无法获取到 Foo 类的泛型参数 DataBean。

因此，Gson 提供了 TypeToken 类来处理这种问题。使用起来是这样的：

Foo<DataBean> foo = new Foo<DataBean>();
gson.fromJson(json, new TypeToken<Foo<DataBean>>(){});

下面是我简化过后的 TypeToken 源码：

public class TypeToken<T> {

  private final Type type;

  protected TypeToken() {
    this.type = getTypeTokenTypeArgument();
  }

  public Type getType() {
    return type;
  }

  private Type getTypeTokenTypeArgument() {
    final Type superclass = getClass().getGenericSuperclass();
    if (superclass instanceof ParameterizedType) {
      ParameterizedType parameterized = (ParameterizedType) superclass;
      if (parameterized.getRawType() == TypeToken.class) {
        return parameterized.getActualTypeArguments()[0];
      }
    } else if (superclass == TypeToken.class) {
      throw new IllegalStateException("TypeToken must be created with a type argument: new TypeToken<...>() {}; "
                                      + "When using code shrinkers (ProGuard, R8, ...) make sure that generic signatures are preserved.");
    }
    throw new IllegalStateException("Must only create direct subclasses of TypeToken");
  }
}

TypeToken 的原理就是创建了一个匿名子类对象，然后通过 getGenericSuperclass()方法获取其泛型父类，再获取其中定义的参数化类型的类型参数。通过这种方式，就可以获取到 TypeToken 所定义的泛型类型了：

public class TypeTokenTest {
  public static void main(String[] args) {
    TypeToken<?> typeToken = new TypeToken<List<String>>() {};
    System.out.println(typeToken.getType()); // java.util.List<java.lang.String>
  }
}

限制和局限性

不能使用基本类型实例化类型参数

泛型的类型参数不可以使用基本类型，例如 Pair<int>，这是因为类型擦除后类型变为了 Object，而 Object 无法存储基本类型数值。对于这种情况，我们需要使用基本类型对应的包装类型。

运行时类型查询只适用于原始类型

同样也是由于类型擦除导致的问题，如果要在代码中进行判断是否是某个泛型类型，这是无法做到的。例如：

if (a instanceof Pair<String>) // 错误

不能创建参数化类型的数组

还是由于类型擦除导致的问题，无法实例化参数化类型的数组。例如：

Pair<String>[] table = new Pair<String>[10]; // 错误

不能创建 Throwable 的子类为泛型类

如果希望创建一个 Throwable 的子类，那么子类就不可以是泛型类。例如：

class Generic<T> extends Exception {

}

此时，编译器会直接报错，提示：Subclass of 'Throwable' may not have type parameters。

这还是因为泛型擦除，这就导致在 catch 时不知道该执行哪个代码分支：

try {
    ...
} catch (Generic<String> e) {

} catch (Generic<Integer> e) {

}

来自：https://juejin.cn/post/7163552739455139848