Java泛型和類型擦除

el09xccxy 發布于2019-08-14 15:21 / 2670人閱讀

摘要：對每個泛型類只生成唯一的一份目標代碼該泛型類的所有實例都映射到這份目標代碼上，在需要的時候執行類型檢查和類型轉換。參考文章的模板是典型的實現，而泛型則是實現，將多種泛型類形實例映射到唯一的字節碼表示是通過類型擦除實現的。

一前言：初識泛型

廢話不說，先來看一段代碼：

public class Holder {
    private Object data;
    
    public Holder(Object data ){
        this.data = data;
    }

    public void setData(Object data) {
        this.data = data;
    }

    public Object getData() {
        return data;
    }
    
    public static void main(String[] args){
        Holder holder = new Holder(new SomeNode());
        SomeNode someNode = holder.getData();
        
    }
}

class SomeNode{}

Holder類是一個容器，它的作用是用來保存其他類的，這里我們用它來保存SomeNode類，隨后把它取出來，編譯運行，結果如下：

Error:(21, 43) java: incompatible types
  required: SomeNode
  found:    java.lang.Object

意思是，需要的是SomeNode，取出來的卻是Object，如此看來，如果我想保存SomeNode類，就只能把data聲明為SomeNode：

private SomeNode data；

這就意味著我們需要為每一個類創造一個Holder，這肯定是不行的，于是泛型的作用來了，泛型，可以理解為任何類型，意思是我可以聲明一個可以容納任何類型的容器：

public class Holder {
    private T data;

    public Holder(T data ){
        this.data = data;
    }

    public void setData(T data) {
        this.data = data;
    }

    public T getData() {
        return data;
    }

    public static void main(String[] args){
        Holder holder = new Holder(new SomeNode());
        SomeNode someNode = holder.getData();

    }
}

class SomeNode{}

注意寫法，在類聲明后面加個就行了，你也可以加，只是一個占位符，形參而已。然后我們再把它取出來：

Process finished with exit code 0

程序沒有報錯，如果這時候我們使用holder的set()方法去插入設置一些非SomeNode類型的值，代碼如下：

 public static void main(String[] args){
        Holder holder = new Holder(new SomeNode());
        SomeNode someNode = holder.getData();
        holder.setData("AAAA");

    }

看結果：

Error:(22, 15) java: method setData in class Holder cannot be applied to given types;
  required: SomeNode
  found: java.lang.String
  reason: actual argument java.lang.String cannot be converted to SomeNode by method invocation conversion

泛型機制就自動為我們報錯，很方便。

二泛型類：元組(Tuple)，返回多個對象

熟悉python的同學都知道元組的概念，它是一個只讀列表，在返回多個結果時是很有用的，我們利用泛型特性來創造一個包含兩個對象的元組：

public class Tuple {
    public static void main(String[] args){
        TwoTuple t = new TwoTuple("Monkey",12);
        System.out.println(t.toString());
    }
}

class TwoTuple{
    final A first;
    final B second;

    public TwoTuple(A a,B b){
        first = a;
        second = b;
    }

    public String toString(){
        return "("+first+","+second+")";
    }
}

來看結果：

(Monkey,12)

是不是很方便：）如果想要一個長度為3的元組可以這么寫：

public class Tuple {
    public static void main(String[] args){
        ThreeTuple t = new ThreeTuple("Dog",12,true);
        System.out.println(t.toString());
    }
}

class TwoTuple{
    final A first;
    final B second;

    public TwoTuple(A a,B b){
        first = a;
        second = b;
    }

    public String toString(){
        return "("+first+","+second+")";
    }
}

class ThreeTuple extends TwoTuple{
    final C three;

    public ThreeTuple(A a,B b,C c){
        super(a,b);
        three = c;
    }

    public String toString(){
        return "("+first+","+second+","+three+")";
    }
}

結果如下：

(Dog,12,true)

三泛型接口

泛型接口的定義和泛型類的定義類似，我們來定義一個生成器接口：

public interface Generator {
    T next();
}

接著我們實現這個接口，來生成斐波拉契數：

public class Fib implements Generator {
    private int count = 0;

    @Override
    public Integer next() {
        return fib(count++);
    }

    private int fib(int n){
        if (n<2)
            return 1;
        else
            return fib(n-2) + fib(n-1);
    }

    public static void main(String[] args){
        Fib f = new Fib();
        for (int i=0;i<100;i++){
            System.out.println(f.next());
        }
    }

}

四泛型方法

比起泛型類，我們更推薦去使用泛型方法，泛型方法定義起來也很簡單，我們只需將泛型參數放在返回類型前面即可:

public class GenericMethods {
    public  void f(T x){
        System.out.println(x.getClass().getName());
    }

    public static void main(String[] args){
        GenericMethods g = new GenericMethods();
        g.f("Hello");
        g.f(100);
        g.f(true);
    }
}

這里我們定義了一個泛型方法f(),并使用getClass獲取類的相關信息(關于Class對象的知識點這里)，來看結果：

java.lang.String
java.lang.Integer
java.lang.Boolean

這里還要注意一下Varargs(變長參數)機制和泛型的結合：

public class GenericVarargs {
    public static  List makeList(T...args){
        List list = new ArrayList();
        for (T item : args){
            list.add(item);
        }

        return list;
    }

    public static void main(String[] args){
        List list = makeList("A","B","C","D");
        System.out.println(list);
    }
}

結果如下：

[A, B, C, D]

六類型擦除

在認識類型擦除之前，我們首先要明白編譯器對泛型的處理有兩種方式：
1.Code specialization
在實例化一個泛型類或者泛型方法是都生成一份新的字節碼，比如對于List,List,List產生三份不同的字節碼。
2.Code sharing
對每個泛型類只生成唯一的一份目標代碼；該泛型類的所有實例都映射到這份目標代碼上，在需要的時候執行類型檢查和類型轉換。參考文章
C++的模板是典型的Code specialization實現，而Java泛型則是Code sharing實現，將多種泛型類形實例映射到唯一的字節碼表示是通過類型擦除（type erasue）實現的。對擦除更通俗的理解就是：編譯器生成的bytecode是不包涵泛型信息的。我們看下面的代碼：

public class ErasedType {
    public static void main(String[] args){
        Class c1 = new ArrayList().getClass();
        Class c2 = new ArrayList().getClass();

        System.out.println(c1 == c2);
    }
}

結果如下：

true

也就是說我們在實例化ArrayList和實例化ArrayList時是共享一份目標代碼的，泛型類類型信息在編譯的過程中被擦除了。對于JVM來說，它只看到一份ArrayList(原始類型)而已。我們還可以從反射的角度來理解類型擦除：

public class ErasedType {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {
        List list = new ArrayList();
        list.add("ABC");
        list.getClass().getMethod("add",Object.class).invoke(list,123);
        System.out.println(list);
    }

}

看結果：

[ABC, 123]

我們很順利的把Integer型的123插入到了String的List里：）

七后記

由于類型擦除的存在，我們往往會在使用泛型特性的時候遇到一些詭異的問題，由于篇幅原因，這里不展開了：）我將在另外一篇文章中集中的總結一下這方面的問題。

我的微信號是aristark，歡迎交流指正！

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