引言

泛型是Java中一个非常重要的知识点，在Java集合类框架中泛型被广泛应用。本文我们将从零开始来看一下Java泛型的设计，将会涉及到通配符处理，以及让人苦恼的类型擦除。

泛型基础

泛型类

我们首先定义一个简单的Box类：

1 public class Box {2     private String object;3     public void set(String object) { this.object = object; }4     public String get() { return object; }5 }

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。

1 public class Box
     
       {2     // T stands for "Type"3     private T t;4     public void set(T t) { this.t = t; }5     public T get() { return t; }6 }
     

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：

1 Box
     
       integerBox = new Box
      
       ();2 Box
       
         doubleBox = new Box
        
         ();3 Box
         
           stringBox = new Box
          
           ();
          
         
        
       
      
     

泛型方法

看完了泛型类，接下来我们来了解一下泛型方法。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<K, V>的形式就行了：

1 public class Util { 2     public static 
     
       boolean compare(Pair
      
        p1, Pair
       
         p2) { 3         return p1.getKey().equals(p2.getKey()) && 4                p1.getValue().equals(p2.getValue()); 5     } 6 } 7 public class Pair
        
          { 8     private K key; 9     private V value;10     public Pair(K key, V value) {11         this.key = key;12         this.value = value;13     }14     public void setKey(K key) { this.key = key; }15     public void setValue(V value) { this.value = value; }16     public K getKey()   { return key; }17     public V getValue() { return value; }18 }
        
       
      
     

我们可以像下面这样去调用泛型方法：

1 Pair
     
       p1 = new Pair<>(1, "apple");2 Pair
      
        p2 = new Pair<>(2, "pear");3 boolean same = Util.
       
        compare(p1, p2);
       
      
     

或者在Java1.7/1.8利用type inference，让Java自动推导出相应的类型参数：

1 Pair
     
       p1 = new Pair<>(1, "apple");2 Pair
      
        p2 = new Pair<>(2, "pear");3 boolean same = Util.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：

1 public static 
     
       int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {2     int count = 0;3     for (T e : anArray)4         if (e > elem)  // compiler error5             ++count;6     return count;7 }
     

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。

1 public interface Comparable
     
       {2     public int compareTo(T o);3 }
     

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。

1 public static 
     
      > int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {2     int count = 0;3     for (T e : anArray)4         if (e.compareTo(elem) > 0)5             ++count;6     return count;7 }
     

通配符

在了解通配符之前，我们首先必须要澄清一个概念，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：

1 public void boxTest(Box
     
       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：

1 class Fruit {}2 class Apple extends Fruit {}3 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。

1 public class GenericReading { 2     static List
     
       apples = Arrays.asList(new Apple()); 3     static List
      
        fruit = Arrays.asList(new Fruit()); 4     static class Reader
       
         { 5         T readExact(List
        
          list) { 6             return list.get(0); 7         } 8     } 9     static void f1() {10         Reader
         
           fruitReader = new Reader
          
           ();11 // Errors: List
           
             cannot be applied to List
            
             .12 // Fruit f = fruitReader.readExact(apples);13 }14 public static void main(String[] args) {15 f1();16 }17 }
            
           
          
         
        
       
      
     

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？我们可以通过使用通配符来解决这个问题：

1 static class CovariantReader
     
       { 2     T readCovariant(List
       list) { 3         return list.get(0); 4     } 5 } 6 static void f2() { 7     CovariantReader
      
        fruitReader = new CovariantReader
       
        (); 8     Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit); 9     Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);10 }11 public static void main(String[] args) {12     f2();13 }
       
      
     

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

上面我们看到了类似<? extends T>的用法，利用它我们可以从list里面get元素，那么我们可不可以往list里面add元素呢？我们来尝试一下：

1 public class GenericsAndCovariance { 2     public static void main(String[] args) { 3         // Wildcards allow covariance: 4         List
      flist = new ArrayList
     
      (); 5         // Compile Error: can't add any type of object: 6         // flist.add(new Apple()) 7         // flist.add(new Orange()) 8         // flist.add(new Fruit()) 9         // flist.add(new Object())10         flist.add(null); // Legal but uninteresting11         // We Know that it returns at least Fruit:12         Fruit f = flist.get(0);13     }14 }
     

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<? extends Fruit> flist它自身可以有多种含义：

1 List
      flist = new ArrayList
     
      ();2 List
       flist = new ArrayList
      
       ();3 List
        flist = new ArrayList
       
        ();
       
      
     

• 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>：

1 public class GenericWriting { 2     static List
     
       apples = new ArrayList
      
       (); 3     static List
       
         fruit = new ArrayList
        
         (); 4     static 
         
           void writeExact(List
          
            list, T item) { 5 list.add(item); 6 } 7 static void f1() { 8 writeExact(apples, new Apple()); 9 writeExact(fruit, new Apple());10 }11 static 
           
             void writeWithWildcard(List
             list, T item) {12 list.add(item)13 }14 static void f2() {15 writeWithWildcard(apples, new Apple());16 writeWithWildcard(fruit, new Apple());17 }18 public static void main(String[] args) {19 f1(); f2();20 }21 }
           
          
         
        
       
      
     

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：

1 List
      list = new ArrayList
     
      ();2 List
       list = new ArrayList
      
       ();3 List
        list = new ArrayList
       
      
     

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。

根据上面的例子，我们可以总结出一条规律，”Producer Extends, Consumer Super”：

• “Producer Extends” – 如果你需要一个只读List，用它来produce T，那么使用? extends T。
• “Consumer Super” – 如果你需要一个只写List，用它来consume T，那么使用? super T。
• 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：

1 public class Collections {2     public static 
     
       void copy(List
       dest, List
       src) {3         for (int i=0; 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，那么泛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
     
       {    private T data;    private Node
      
        next;    public Node(T data, Node
       
         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：

1 public class Node { 2     private Object data; 3     private Node next; 4     public Node(Object data, Node next) { 5         this.data = data; 6         this.next = next; 7     } 8     public Object getData() { return data; } 9     // ...10 }

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bounds了，将上面的代码修改成下面这样：

1 public class Node
     
      > { 2     private T data; 3     private Node
      
        next; 4     public Node(T data, Node
       
         next) { 5         this.data = data; 6         this.next = next; 7     } 8     public T getData() { return data; } 9     // ...10 }
       
      
     

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：

1 public class Node { 2     private Comparable data; 3     private Node next; 4     public Node(Comparable data, Node next) { 5         this.data = data; 6         this.next = next; 7     } 8     public Comparable getData() { return data; } 9     // ...10 }

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

在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：

1 List
     
      [] arrayOfLists = new List
      
       [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：

1 Object[] strings = new String[2];2 strings[0] = "hi";   // OK3 strings[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：

1 Object[] stringLists = new List
     
      [];  // compiler error, but pretend it's allowed2 stringLists[0] = new ArrayList
      
       ();   // OK3 // An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can't detect it.4 stringLists[1] = new ArrayList
       
        ();
       
      
     

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：

1 public class ErasedTypeEquivalence {2     public static void main(String[] args) {3         Class c1 = new ArrayList
     
      ().getClass();4         Class c2 = new ArrayList
      
       ().getClass();5         System.out.println(c1 == c2); // true6     }7 }
      
     

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。

1 public class Node
     
       { 2     public T data; 3     public Node(T data) { this.data = data; } 4     public void setData(T data) { 5         System.out.println("Node.setData"); 6         this.data = data; 7     } 8 } 9 public class MyNode extends Node
      
        {10     public MyNode(Integer data) { super(data); }11     public void setData(Integer data) {12         System.out.println("MyNode.setData");13         super.setData(data);14     }15 }
      
     

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：

1 public class Node { 2     public Object data; 3     public Node(Object data) { this.data = data; } 4     public void setData(Object data) { 5         System.out.println("Node.setData"); 6         this.data = data; 7     } 8 } 9 public class MyNode extends Node {10     public MyNode(Integer data) { super(data); }11     public void setData(Integer data) {12         System.out.println("MyNode.setData");13         super.setData(data);14     }15 }

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：

1 MyNode mn = new MyNode(5);2 Node n = mn; // A raw type - compiler throws an unchecked warning3 n.setData("Hello"); // Causes a ClassCastException to be thrown.4 // 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：

1 class MyNode extends Node { 2     // Bridge method generated by the compiler 3     public void setData(Object data) { 4         setData((Integer) data); 5     } 6     public void setData(Integer data) { 7         System.out.println("MyNode.setData"); 8         super.setData(data); 9     }10     // ...11 }

这也就是为什么上面会报错的原因了，setData((Integer) data);的时候String无法转换成Integer。所以上面第2行编译器提示unchecked warning的时候，我们不能选择忽略，不然要等到运行期间才能发现异常。如果我们一开始加上Node<Integer> n = mn就好了，这样编译器就可以提前帮我们发现错误。

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：

1 public static 
     
       void append(List
      
        list) {2     E elem = new E();  // compile-time error3     list.add(elem);4 }
      
     

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：

1 public static 
     
       void append(List
      
        list, Class
       
         cls) throws Exception {2     E elem = cls.newInstance();   // OK3     list.add(elem);4 }
       
      
     

我们可以像下面这样调用：

List
     
       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两种解决，感兴趣的朋友不妨去看一下中第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：

1 public static 
     
       void rtti(List
      
        list) {2     if (list instanceof ArrayList
       
        ) {  // compile-time error3         // ...4     }5 }6 => { ArrayList
        
         , ArrayList
         
          , LinkedList
          
           , ... }
          
         
        
       
      
     

和上面一样，我们可以使用通配符重新设置bounds来解决这个问题：

1 public static void rtti(List
      list) {2     if (list instanceof ArrayList
     ) {  // OK; instanceof requires a reifiable type3         // ...4     }5 }

工厂模式

接下来我们利用泛型来简单的实现一下工厂模式，首先我们先声明一个接口Factory：

1 package typeinfo.factory;2 public interface Factory
     
       {3     T create();4 }
     

接下来我们来创建几个实体类FuelFilter和AirFilter以及FanBelt和GeneratorBelt。

class Filter extends Part {}class FuelFilter extends Filter {    public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory
     
       {        public FuelFilter create() {            return new FuelFilter();        }    }}class AirFilter extends Filter {    public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory
      
        {        public AirFilter create() {            return new AirFilter();        }    }}
      
     

class Belt extends Part {}class FanBelt extends Belt {    public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory
     
       {        public FanBelt create() {            return new FanBelt();        }    }}class GeneratorBelt extends Belt {    public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory
      
        {        public GeneratorBelt create() {            return new GeneratorBelt();        }    }}
      
     

Part类的实现如下，注意我们上面的实体类都是Part类的间接子类。在Part类我们注册了我们上面的声明的实体类。所以以后我们如果要创建相关的实体类的话，只需要在调用Part类的相关方法了。这么做的一个好处就是如果的业务中出现了CabinAirFilter或者PowerSteeringBelt的话，我们不需要修改太多的代码，只需要在Part类中将它们注册即可。

1 class Part { 2     static List
     
      > partFactories = 3         new ArrayList
      
       >(); 4     static { 5         partFactories.add(new FuelFilter.Factory()); 6         partFactories.add(new AirFilter.Factory()); 7         partFactories.add(new FanBelt.Factory()); 8         partFactories.add(new PowerSteeringBelt.Factory()); 9     }10     private static Random rand = new Random(47);11     public static Part createRandom() {12         int n = rand.nextInt(partFactories.size());13         return partFactories.get(n).create();14     }15     public String toString() {16         return getClass().getSimpleName();17     }18 }
      
     

最后我们来测试一下：

1 public class RegisteredFactories {2     public static void main(String[] args) {3         for (int i = 0; i < 10; i++) {4             System.out.println(Part.createRandom());5         }6     }7 }

References