【Java】泛型之擦拭法

浅浅的花香味﹌ 2024-03-02 01:30 5阅读 0赞

泛型是一种类似”模板代码“的技术，不同语言的泛型实现方式不一定相同。

Java语言的泛型实现方式是擦拭法（`Type Erasure`）。

所谓擦拭法是指，虚拟机对泛型其实一无所知，所有的工作都是编译器做的。

例如，我们编写了一个泛型类`Pair<T>`，这是编译器看到的代码：

public class Pair<T> {
        
        private T first;
        private T last;
        public Pair(T first, T last) {
        
            this.first = first;
            this.last = last;
        }
        public T getFirst() {
        
            return first;
        }
        public T getLast() {
        
            return last;
        }
    }

而虚拟机根本不知道泛型。这是虚拟机执行的代码：

public class Pair {
        
        private Object first;
        private Object last;
        public Pair(Object first, Object last) {
        
            this.first = first;
            this.last = last;
        }
        public Object getFirst() {
        
            return first;
        }
        public Object getLast() {
        
            return last;
        }
    }

因此，Java使用擦拭法实现泛型，导致了：

*  编译器把类型视为Object；
 *  编译器根据实现安全的强制转型。

使用泛型的时候，我们编写的代码也是编译器看到的代码：

Pair<String> p = new Pair<>("Hello", "world");
    String first = p.getFirst();
    String last = p.getLast();

而虚拟机执行的代码并没有泛型：

Pair p = new Pair("Hello", "world");
    String first = (String) p.getFirst();
    String last = (String) p.getLast();

所以，Java的泛型是由编译器在编译时实行的，编译器内部永远把所有类型T视为Object处理，但是，在需要转型的时候，编译器会根据T的类型自动为我们实行安全地强制转型。

了解了Java泛型的实现方式——擦拭法，我们就知道了Java泛型的局限：

局限一：不能是基本类型，例如int，因为实际类型是Object，Object类型无法持有基本类型：

Pair<int> p = new Pair<>(1, 2); // compile error!

局限二：无法取得带泛型的Class。观察以下代码：

public class Main {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            Pair<String> p1 = new Pair<>("Hello", "world");
            Pair<Integer> p2 = new Pair<>(123, 456);
            Class c1 = p1.getClass();
            Class c2 = p2.getClass();
            System.out.println(c1==c2); // true
            System.out.println(c1==Pair.class); // true
    
        }
    }
    
    class Pair<T> {
        
        private T first;
        private T last;
        public Pair(T first, T last) {
        
            this.first = first;
            this.last = last;
        }
        public T getFirst() {
        
            return first;
        }
        public T getLast() {
        
            return last;
        }
    }

因为T是`Object`，我们对`Pair<String>`和`Pair<Integer>`类型获取`Class`时，获取到的是同一个`Class`，也就是`Pair`类的`Class`。

换句话说，所有泛型实例，无论T的类型是什么，`getClass()`返回同一个`Class`实例，因为编译后它们全部都是`Pair<Object>`。

局限三：无法判断带泛型的类型：

Pair<Integer> p = new Pair<>(123, 456);
    // Compile error:
    if (p instanceof Pair<String>) {
        
    }

原因和前面一样，并不存在`Pair<String>.class`，而是只有唯一的`Pair.class`。

局限四：不能实例化T类型：

public class Pair<T> {
        
        private T first;
        private T last;
        public Pair() {
        
            // Compile error:
            first = new T();
            last = new T();
        }
    }

上述代码无法通过编译，因为构造方法的两行语句：

first = new T();
    last = new T();

擦拭后实际上变成了：

first = new Object();
    last = new Object();

这样一来，创建`new Pair<String>()`和创建`new Pair<Integer>(`)就全部成了`Object`，显然编译器要阻止这种类型不对的代码。

要实例化T类型，我们必须借助额外的`Class<T>`参数：

public class Pair<T> {
        
        private T first;
        private T last;
        public Pair(Class<T> clazz) {
        
            first = clazz.newInstance();
            last = clazz.newInstance();
        }
    }

上述代码借助`Class<T>`参数并通过反射来实例化T类型，使用的时候，也必须传入`Class<T>`。例如：

Pair<String> pair = new Pair<>(String.class);

因为传入了`Class<String>`的实例，所以我们借助`String.class`就可以实例化`String`类型。

不恰当的覆写方法  
有些时候，一个看似正确定义的方法会无法通过编译。例如：

public class Pair<T> {
        
        public boolean equals(T t) {
        
            return this == t;
        }
    }

这是因为，定义的`equals(T t)`方法实际上会被擦拭成`equals(Object t)`，而这个方法是继承自`Object`的，编译器会阻止一个实际上会变成覆写的泛型方法定义。

换个方法名，避开与`Object.equals(Object)`的冲突就可以成功编译：

public class Pair<T> {
        
        public boolean same(T t) {
        
            return this == t;
        }
    }

## 泛型继承 ##

一个类可以继承自一个泛型类。例如：父类的类型是`Pair<Integer>`，子类的类型是`IntPair`，可以这么继承：

public class IntPair extends Pair<Integer> {
        
    }

使用的时候，因为子类IntPair并没有泛型类型，所以，正常使用即可：

IntPair ip = new IntPair(1, 2);

前面讲了，我们无法获取`Pair<T>`的T类型，即给定一个变量`Pair<Integer> p`，无法从p中获取到`Integer`类型。

但是，在父类是泛型类型的情况下，编译器就必须把类型T（对`IntPair`来说，也就是`Integer`类型）保存到子类的`class`文件中，不然编译器就不知道`IntPair`只能存取`Integer`这种类型。

在继承了泛型类型的情况下，子类可以获取父类的泛型类型。例如：`IntPair`可以获取到父类的泛型类型`Integer`。获取父类的泛型类型代码比较复杂：

import java.lang.reflect.ParameterizedType;
    import java.lang.reflect.Type;
    
    public class Main {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            Class<IntPair> clazz = IntPair.class;
            Type t = clazz.getGenericSuperclass();
            if (t instanceof ParameterizedType) {
        
                ParameterizedType pt = (ParameterizedType) t;
                Type[] types = pt.getActualTypeArguments(); // 可能有多个泛型类型
                Type firstType = types[0]; // 取第一个泛型类型
                Class<?> typeClass = (Class<?>) firstType;
                System.out.println(typeClass); // Integer
            }
    
        }
    }
    
    class Pair<T> {
        
        private T first;
        private T last;
        public Pair(T first, T last) {
        
            this.first = first;
            this.last = last;
        }
        public T getFirst() {
        
            return first;
        }
        public T getLast() {
        
            return last;
        }
    }
    
    class IntPair extends Pair<Integer> {
        
        public IntPair(Integer first, Integer last) {
        
            super(first, last);
        }
    }

因为Java引入了泛型，所以，只用Class来标识类型已经不够了。实际上，Java的类型系统结构如下：

┌────┐
                          │Type│
                          └────┘
                             ▲
                             │
       ┌────────────┬────────┴─────────┬───────────────┐
       │            │                  │               │
    ┌─────┐┌─────────────────┐┌────────────────┐┌────────────┐
    │Class││ParameterizedType││GenericArrayType││WildcardType│
    └─────┘└─────────────────┘└────────────────┘└────────────┘

## 小结 ##

Java的泛型是采用擦拭法实现的；

擦拭法决定了泛型：

不能是基本类型，例如：int；  
不能获取带泛型类型的Class，例如：`Pair<String>.class`；  
不能判断带泛型类型的类型，例如：`x instanceof Pair<String>`；  
不能实例化T类型，例如：`new T()`。  
泛型方法要防止重复定义方法，例如：`public boolean equals(T obj)`；  
子类可以获取父类的泛型类型`<T>`。