資訊專欄INFORMATION COLUMN
摘要：靜態(tài)變量是被泛型類的所有實(shí)例所共享的。所以引用能完成泛型類型的檢查。對(duì)于這個(gè)類型系統(tǒng)，有如下的一些規(guī)則相同類型參數(shù)的泛型類的關(guān)系取決于泛型類自身的繼承體系結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，泛型類擴(kuò)展都不合法。
前言
和C++以模板來(lái)實(shí)現(xiàn)靜多態(tài)不同，Java基于運(yùn)行時(shí)支持選擇了泛型，兩者的實(shí)現(xiàn)原理大相庭徑。C++可以支持基本類型作為模板參數(shù)，Java卻只能接受類作為泛型參數(shù)；Java可以在泛型類的方法中取得自己泛型參數(shù)的Class類型，C++只能由編譯器推斷在不為人知的地方生成新的類，對(duì)于特定的模板參數(shù)你只能使用特化。在本文中我主要想聊聊泛型的實(shí)現(xiàn)原理和一些高級(jí)特性。
泛型基礎(chǔ)泛型是對(duì)Java語(yǔ)言類型系統(tǒng)的一種擴(kuò)展，有點(diǎn)類似于C++的模板，可以把類型參數(shù)看作是使用參數(shù)化類型時(shí)指定的類型的一個(gè)占位符。引入泛型，是對(duì)Java語(yǔ)言一個(gè)較大的功能增強(qiáng)，帶來(lái)了很多的好處：
類型安全。類型錯(cuò)誤現(xiàn)在在編譯期間就被捕獲到了，而不是在運(yùn)行時(shí)當(dāng)作java.lang.ClassCastException展示出來(lái)，將類型檢查從運(yùn)行時(shí)挪到編譯時(shí)有助于開發(fā)者更容易找到錯(cuò)誤，并提高程序的可靠性
消除了代碼中許多的強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)了代碼的可讀性
為較大的優(yōu)化帶來(lái)了可能
泛型是什么并不會(huì)對(duì)一個(gè)對(duì)象實(shí)例是什么類型的造成影響，所以，通過(guò)改變泛型的方式試圖定義不同的重載方法是不可以的。剩下的內(nèi)容我不會(huì)對(duì)泛型的使用做過(guò)多的講述，泛型的通配符等知識(shí)請(qǐng)自行查閱。
在進(jìn)入下面的論述之前我想先問(wèn)幾個(gè)問(wèn)題：
定義一個(gè)泛型類最后到底會(huì)生成幾個(gè)類，比如ArrayList
定義一個(gè)泛型方法最終會(huì)有幾個(gè)方法在class文件中
為什么泛型參數(shù)不能是基本類型呢
ArrayList
ArrayList
正確理解泛型概念的首要前提是理解類型擦除（type erasure）。 Java中的泛型基本上都是在編譯器這個(gè)層次來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在生成的Java字節(jié)代碼中是不包含泛型中的類型信息的。使用泛型的時(shí)候加上的類型參數(shù)，會(huì)被編譯器在編譯的時(shí)候去掉。這個(gè)過(guò)程就稱為類型擦除。如在代碼中定義的List
很多泛型的奇怪特性都與這個(gè)類型擦除的存在有關(guān)，包括：
泛型類并沒有自己獨(dú)有的Class類對(duì)象。比如并不存在List
靜態(tài)變量是被泛型類的所有實(shí)例所共享的。對(duì)于聲明為MyClass
泛型的類型參數(shù)不能用在Java異常處理的catch語(yǔ)句中。因?yàn)楫惓Ｌ幚硎怯蒍VM在運(yùn)行時(shí)刻來(lái)進(jìn)行的。由于類型信息被擦除，JVM是無(wú)法區(qū)分兩個(gè)異常類型MyException
類型擦除的基本過(guò)程也比較簡(jiǎn)單，首先是找到用來(lái)替換類型參數(shù)的具體類。這個(gè)具體類一般是Object。如果指定了類型參數(shù)的上界的話，則使用這個(gè)上界。把代碼中的類型參數(shù)都替換成具體的類。同時(shí)去掉出現(xiàn)的類型聲明，即去掉<>的內(nèi)容。比如T get()方法聲明就變成了Object get()；List
因?yàn)榉N種原因，Java不能實(shí)現(xiàn)真正的泛型，只能使用類型擦除來(lái)實(shí)現(xiàn)偽泛型，這樣雖然不會(huì)有類型膨脹（C++模板令人困擾的難題）的問(wèn)題，但是也引起了許多新的問(wèn)題。所以，Sun對(duì)這些問(wèn)題作出了許多限制，避免我們犯各種錯(cuò)誤。
保證類型安全首先第一個(gè)是泛型所宣稱的類型安全，既然類型擦除了，如何保證我們只能使用泛型變量限定的類型呢？java編譯器是通過(guò)先檢查代碼中泛型的類型，然后再進(jìn)行類型擦除，在進(jìn)行編譯的。那類型檢查是針對(duì)誰(shuí)的呢，讓我們先看一個(gè)例子。
ArrayListarrayList1=new ArrayList(); // 正確，只能放入String ArrayList arrayList2=new ArrayList (); // 可以放入任意Object
這樣是沒有錯(cuò)誤的，不過(guò)會(huì)有個(gè)編譯時(shí)警告。不過(guò)在第一種情況，可以實(shí)現(xiàn)與 完全使用泛型參數(shù)一樣的效果，第二種則完全沒效果。因?yàn)?，本?lái)類型檢查就是編譯時(shí)完成的。new ArrayList()只是在內(nèi)存中開辟一個(gè)存儲(chǔ)空間，可以存儲(chǔ)任何的類型對(duì)象。而真正涉及類型檢查的是它的引用，因?yàn)槲覀兪鞘褂盟胊rrayList1 來(lái)調(diào)用它的方法，比如說(shuō)調(diào)用add()方法。所以arrayList1引用能完成泛型類型的檢查。
而引用arrayList2沒有使用泛型，所以不行。
類型檢查就是針對(duì)引用的，誰(shuí)是一個(gè)引用，用這個(gè)引用調(diào)用泛型方法，就會(huì)對(duì)這個(gè)引用調(diào)用的方法進(jìn)行類型檢測(cè)，而無(wú)關(guān)它真正引用的對(duì)象。
實(shí)現(xiàn)自動(dòng)類型轉(zhuǎn)換因?yàn)轭愋筒脸膯?wèn)題，所以所有的泛型類型變量最后都會(huì)被替換為原始類型。這樣就引起了一個(gè)問(wèn)題，既然都被替換為原始類型，那么為什么我們?cè)讷@取的時(shí)候，不需要進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換呢？
public class Test {
public static void main(String[] args) {
ArrayList list=new ArrayList();
list.add(new Date());
Date myDate=list.get(0);
}
}
編譯器生成的class文件中會(huì)在你調(diào)用泛型方法完成之后返回調(diào)用點(diǎn)之前加上類型轉(zhuǎn)換的操作，比如上文的get函數(shù)，就是在get方法完成后，jump回原本的賦值操作的指令位置之前加入了強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的類型由編譯器推導(dǎo)。
泛型中的繼承關(guān)系先看一個(gè)例子：
class DateInter extends A{ @Override public void setValue(Date value) { super.setValue(value); } @Override public Date getValue() { return super.getValue(); } }
先來(lái)分析setValue方法，父類的類型是Object，而子類的類型是Date，參數(shù)類型不一樣，這如果實(shí)在普通的繼承關(guān)系中，根本就不會(huì)是重寫，而是重載。
public void setValue(java.util.Date); //我們重寫的setValue方法
Code:
0: aload_0
1: aload_1
2: invokespecial #16 // invoke A setValue
:(Ljava/lang/Object;)V
5: return
public java.util.Date getValue(); //我們重寫的getValue方法
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #23 // A.getValue
:()Ljava/lang/Object;
4: checkcast #26
7: areturn
public java.lang.Object getValue(); //編譯時(shí)由編譯器生成的方法
Code:
0: aload_0
1: invokevirtual #28 // Method getValue:() 去調(diào)用我們重寫的getValue方法
;
4: areturn
public void setValue(java.lang.Object); //編譯時(shí)由編譯器生成的方法
Code:
0: aload_0
1: aload_1
2: checkcast #26
5: invokevirtual #30 // Method setValue; 去調(diào)用我們重寫的setValue方法
)V
8: return
并且，還有一點(diǎn)也許會(huì)有疑問(wèn)，子類中的方法 Object getValue()和Date getValue()是同 時(shí)存在的，可是如果是常規(guī)的兩個(gè)方法，他們的方法簽名是一樣的，也就是說(shuō)虛擬機(jī)根本不能分別這兩個(gè)方法。如果是我們自己編寫Java代碼，這樣的代碼是無(wú)法通過(guò)編譯器的檢查的，但是虛擬機(jī)卻是允許這樣做的，因?yàn)樘摂M機(jī)通過(guò)參數(shù)類型和返回類型來(lái)確定一個(gè)方法，所以編譯器為了實(shí)現(xiàn)泛型的多態(tài)允許自己做這個(gè)看起來(lái)“不合法”的事情，然后交給虛擬器去區(qū)別。
我們?cè)倏匆粋€(gè)經(jīng)常出現(xiàn)的例子。
class A {
Object get(){
return new Object();
}
}
class B extends A {
@Override
Integer get() {
return new Integer(1);
}
}
public static void main(String[] args){
A a = new B();
B b = (B) a;
A c = new A();
a.get();
b.get();
c.get();
}
反編譯之后的結(jié)果
17: invokespecial #5 // Method com/suemi/network/test/A."":()V 20: astore_3 21: aload_1 22: invokevirtual #6 // Method com/suemi/network/test/A.get:()Ljava/lang/Object; 25: pop 26: aload_2 27: invokevirtual #7 // Method com/suemi/network/test/B.get:()Ljava/lang/Integer; 30: pop 31: aload_3 32: invokevirtual #6 // Method com/suemi/network/test/A.get:()Ljava/lang/Object;
實(shí)際上當(dāng)我們使用父類引用調(diào)用子類的get時(shí)，先調(diào)用的是JVM生成的那個(gè)覆蓋方法，在橋接方法再調(diào)用自己寫的方法實(shí)現(xiàn)。
泛型參數(shù)的繼承關(guān)系在Java中，大家比較熟悉的是通過(guò)繼承機(jī)制而產(chǎn)生的類型體系結(jié)構(gòu)。比如String繼承自O(shè)bject。根據(jù)Liskov替換原則，子類是可以替換父類的。當(dāng)需要Object類的引用的時(shí)候，如果傳入一個(gè)String對(duì)象是沒有任何問(wèn)題的。但是反過(guò)來(lái)的話，即用父類的引用替換子類引用的時(shí)候，就需要進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換。編譯器并不能保證運(yùn)行時(shí)刻這種轉(zhuǎn)換一定是合法的。這種自動(dòng)的子類替換父類的類型轉(zhuǎn)換機(jī)制，對(duì)于數(shù)組也是適用的。 String[]可以替換Object[]。但是泛型的引入，對(duì)于這個(gè)類型系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的影響。正如前面提到的List
引入泛型之后的類型系統(tǒng)增加了兩個(gè)維度：一個(gè)是類型參數(shù)自身的繼承體系結(jié)構(gòu)，另外一個(gè)是泛型類或接口自身的繼承體系結(jié)構(gòu)。第一個(gè)指的是對(duì)于 List
相同類型參數(shù)的泛型類的關(guān)系取決于泛型類自身的繼承體系結(jié)構(gòu)。即List
當(dāng)泛型類的類型聲明中使用了通配符的時(shí)候， 這種替換的判斷可以在兩個(gè)維度上分別展開。如對(duì)Collection來(lái)說(shuō)，用來(lái)替換他的引用可以在Collection這個(gè)維度上展開，即List和Set等；也可以在Number這個(gè)層次上展開，即Collection
如果泛型類中包含多個(gè)類型參數(shù)，則對(duì)于每個(gè)類型參數(shù)分別應(yīng)用上面的規(guī)則。理解了上面的規(guī)則之后，就可以很容易的修正實(shí)例分析中給出的代碼了。只需要把List
個(gè)人認(rèn)為這里對(duì)上面這種情形使用子類型這種說(shuō)法來(lái)形容這種關(guān)系是不當(dāng)?shù)模驗(yàn)長(zhǎng)ist
// 錯(cuò)誤，為類型擦除之后，ArrayList異常中使用泛型的問(wèn)題只剩下原始類型，泛型信息String不存在了，無(wú)法進(jìn)行判斷 if( arrayList instanceof ArrayList ) if( arrayList instanceof ArrayList) // 正確
不能拋出也不能捕獲泛型類的對(duì)象。事實(shí)上，泛型類擴(kuò)展Throwable都不合法。為什么不能擴(kuò)展Throwable，因?yàn)楫惓６际窃谶\(yùn)行時(shí)捕獲和拋出的，而在編譯的時(shí)候，泛型信息全都會(huì)被擦除掉。類型信息被擦除后，那么多個(gè)使用不同泛型參數(shù)地方的catch都變?yōu)樵碱愋蚈bject，那么也就是說(shuō)，多個(gè)地方的catch變的一模一樣，這自然不被允許。
不能再catch子句中使用泛型變量。
public static不允許創(chuàng)建泛型類數(shù)組void doWork(Class t){ try{ ... }catch(T e){ //編譯錯(cuò)誤 T->Throwable，下面的永遠(yuǎn)不會(huì)被捕獲，所以不被允許 ... }catch(IndexOutOfBounds e){ } }
