Java泛型的学习和使用

前面，由于对泛型擦除的思考，引出了对Java-Type体系的学习。本篇，就让我们继续对“泛型”进行研究：

JDK1.5中引入了对Java语言的多种扩展，泛型(generics)即其中之一。

1. 什么是泛型？

泛型，即“参数化类型”，就跟在方法或构造函数中普通的参数一样，当一个方法被调用时，实参替换形参，方法体被执行。当一个泛型声明被调用，实际类型参数取代形式类型参数。

2. 为什么需要泛型？

对于Java开发者来说，集合是泛型运用最多的地方，例如：List<String>、Map<String,Integer>；试想一下，如若没有泛型泛型，当我们对集合进行遍历、进行元素获取的时候，一坨坨强制类型转换的代码就足以让人发疯，而且极易出现类型转换失败的风险；

但是，泛型的出现解决了这个问题，它不但简化了代码，还提高了程序的安全性；类型转换的错误提前到编译期解决掉；

3. 泛型的擦除

JDK1.5版本推出了泛型机制，在此之前，Java语言中并没有泛型的概念；当新特性来到的时候，必然会引起新老代码兼容性的问题，泛型也不例外。Java为解决兼容性问题，采用了擦除机制；

当我们声明并使用泛型的时候，编译器会帮助我们进行类型的检查和推断，然而在代码完成编译后的Class文件中，泛型信息却不复存在了，JVM在运行期间对泛型无感知，这样新老代码的兼容性迎刃而解，这也就是Java泛型的擦除；

在方法中，我们定义了List<String>、Map<String,Integer>等对象，在编译结束之后，都会变成List、Map等原始类型；对于JVM来说，泛型的信息是不可见的；下面，我们通过反射，来观察下！

在程序运行期间，泛型的约束并不存在，通过反射，可以向集合中添加任意类型对象；

此外，当我们通过反编译工具查看GenericTest.class文件的时候，发现ArrayList对象中的泛型没有了，这也间接证明了泛型的擦除；

接下来，我们在通过javap命令查看生成的Class文件：

结果显示，当我们执行集合的add方法的时候，泛型类型String已经被擦除，取而代之的是Object类型；当我们执行get方法的时候，泛型同样不存在，也是被当做Object来返回；

可是，我有个疑问，在编译期由于泛型的存在，我们不需要显式的进行类型转换，但是在运行期间是如何解决的呢，难道不会报错吗？

查看源码发现，ArrayList在get方法中，已经显式进行了类型转换；

自定义一个泛型类，在get方法中不进行类型转换的声明，看看结果如何？

运行main方法后，程序没有报错，正常结束；

通过上面的2个例子，我们不仅产生疑问，ArrayList中声明了类型转换，Test中没有声明，但是两者在运行期间都没有报错？那么ArrayList的声明意义何在呢 ?

当再次查看ArrayList源码时发现，elementData对象实际上是一个Object类型数组，当我们获取元素并返回的时候，编译器会根据方法的返回值进行类型安全检查，所以 return (E) elementData[index]才会有强制类型转换的情况；

通过了解checkcast指令后，结合上面的2个例子，我认为JVM虚拟机在真正执行get方法的时候，实际上隐式的为我们的代码进行了类型转换操作，就好比在代码中直接声明String ss = (String)test.getT()、String sss = (String)list.get(0)一样；

实际上，在了解到checkcast虚拟机指令后，再次证明了上面的观点；

checkcast：“检验类型转换，检验未通过将抛出ClassCastException”；

官方解释：checkcast checks that the top item on the operand stack (a reference to an object or array) can be cast to a given type. For example, if you write in Java：return ((String)obj);

4. 泛型擦除带来的问题

4.1 类型信息的丢失

由于泛型擦除机制的存在，在运行期间无法获取关于泛型参数类型的任何信息，自然也就无法对类型信息进行操作；例如：instanceof 、创建对象等；

4.2 类型擦除与多态

首先，我们先复习下多态的概念，多态出现的场景；

简明直译，多态多态，多种形态；接口下众多的实现类，便是多态最显著实现场景之一；

其次，还有方法的重写Overriding和重载Overloading；

重写Overriding是父类与子类之间多态性的一种表现，如果在子类中定义某方法与其父类有相同的名称和参数，我们说该方法被重写(Overriding)。子类的对象使用这个方法时，将调用子类中的定义，对它而言，父类中的定义如同被“屏蔽”了。

重载Overloading是一个类中多态性的一种表现，如果在一个类中定义了多个同名的方法，它们或有不同的参数个数或有不同的参数类型，则称为方法的重载(Overloading)。Overloaded的方法是可以改变返回值的类型但同时参数列表也得不同。

接下来，让我们看一个例子，来具体的分析；

由于泛型擦除的存在，在程序运行期间，Test类在JVM虚拟机中实际的形态如下：

泛型被擦除，泛型变量替换为Object对象；接下来，我们在看看子类TestChild代码----setT：

@Override

public void setT(String s) {}

首先，来看看set方法，实际运行期间父类Test的set方法参数为Object，子类的为String；回顾下Override
的定义，“如果在子类中定义某方法与其父类有相同的名称和参数，我们说该方法被重写(Overriding)”；显然，在运行期间我们子类和父类的set方法只有相同的名称，并没有相同的参数，所以并不满足“重写”的定义；

在看下，重载的定义，“如果在一个类中定义了多个同名的方法，它们或有不同的参数个数或有不同的参数类型，则称为方法的重载(Overloading)”。既然不是重写，并且Test 和 TestChild又是子父类关系，那么set方法从定义上来看只有可能是重载的关系；子类继承父类方法，在TestChild中形成重载：setT(Object t)、setT(String t)；

既然我们推断是setT属于重载，那么就用代码实现下即可：

很不幸，编译报错，在子类中并没有一个叫做setT(Object t)的方法，重载不成立，子类的方法依旧和父类属于重写关系；下面，让我来进一步去分析：

子类TestChild继承了父类Test，并传入泛型变量String，如果忽略泛型擦除的存在，父类Test代码应该变成这样：

但实际上，Java在编译期已经将泛型变量擦除，运行期间泛型变量变成了Object，没有任何关于泛型String的信息；我们本意是实现方法的重写，但实际上变成了重载(意淫下的重载)；这下可如何是好？

于是，JVM虚拟机采用了一个特殊的方式来解决擦除和多态之间的矛盾，桥方法由此诞生；我们继续使用javap -c 命令查看class文件；

截图中，子类TestChild实际上生成了4个方法，最下面的2个方法，就是JVM所生成的桥方法，而真正实现方法重写的便是这个桥方法------------setT(Object t)，而我们自己定义的@Oveerride注解只不过为了满足编译期的要求所存在的假象而已；

这样一来，虚拟机便解决了泛型擦书和多态之间的矛盾；那么，get()是否存在上面重写的问题呢？

答案是NONONO！由于重写(Overriding)只针对于方法名和方法参数，并不没有强调返回值的异同。所以子类---public String getT() 和 父类---public Object getT() 是可以形成重写的关系！

但是，在编译之后的class文件中，由于桥方法的存在，子类中有了2个getT()方法，分别为public String getT()、public Object getT()，如果在我们实际定义方法的时候，在一个类中出现2个这样的方法，是无法通过编译器的检查的！

因为以上2个方法，违背了重载的定义，重名方法必须要有不同的形参，否则编译器会报错！

但实际上由于桥方法是在编译后的class文件中生成，所以我们认为虚拟机是允许这样的情况出现，JVM虚拟机认定方法唯一的方式，不单通过方法名称和参数，还包括了方法的返回值；

4.3 异常和泛型擦除

自定义异常类，还必须是带有泛型的异常类；

自定义的泛型类并不能继承exception，为什么？

归根到底，还是由于泛型擦除的存在！如果上面编译通过，那么我们在代码中将会看到如下情形：

由于泛型擦除的存在，GenericException在编译之后将不存在泛型信息，2次catch的异常将会变成一样，这在Java中是不允许存在的；

此外，还有一种情况，看如下代码：

由于泛型擦除的存在，T泛型变量在编译之后将会变成Exception类型(由于extends的存在，此处不会变成Object)；根据Java中关于捕捉异常的规则：子类异常必须在最前面，以此往后捕捉父类异常；所以说，以上代码违背了Java异常规范，禁止在catch中使用泛型！

5. 自定义泛型接口、泛型类和泛型方法

5.1 泛型接口

5.2 泛型类

值得注意的是，在泛型类中，成员变量不能使用静态修饰，编译报错！

由于是静态变量，不需要创建对象即可调用，无法确定泛型是哪种类型，所以编译禁止通过！当然，需要区分5.3章节中的情况：

5.3 泛型方法

在泛型方法中，自己定义的泛型变量，与类无关；

6. 通配符与上下界

在我们实际工作中，常见的通配符有3类：

无限定通配符，形式：<?>

上边界通配符，形式：<? extends Number>

下边界通配符，形式：<? super Number>

泛型的通配符？与我们平常所定义的T 、K、V等泛型变量功能类似，但是通配符？只能使用在已声明过泛型的类中，不能直接定义在类上，方法上，属性上；

List<?> list代表着，可以向List中存入任何类型的对象，此时的？可以理解为Object；

那么，上边界和下边界又是什么意思呢？

<? extends Number>代表着所传入的类型参数只能为Number的子类，这就是通配符的上边界；

<? super Number>代表着所传入的类型参数只能为Number、Number的父类，这就是通配符的下边界；