级别： 初级 2005 年 1 月 25 日
表面上看起来，无论语法还是应用的环境（比如容器类），泛型类型（或者泛型）都类似于 C++ 中的模板。但是这种相似性仅限于表面，Java 语言中的泛型基本上完全在编译器中实现，由编译器执行类型检查和类型推断，然后生成普通的非泛型的字节码。这种实现技术称为擦除（erasure）（编译器使用泛型类型信息保证类型安全，然后在生成字节码之前将其清除），这项技术有一些奇怪，并且有时会带来一些令人迷惑的后果。虽然范型是 Java 类走向类型安全的一大步，但是在学习使用泛型的过程中几乎肯定会遇到头痛（有时候让人无法忍受）的问题。 注意：本文假设您对 JDK 5.0 中的范型有基本的了解。 泛型不是协变的 虽然将集合看作是数组的抽象会有所帮助，但是数组还有一些集合不具备的特殊性质。Java 语言中的数组是协变的（covariant），也就是说，如果 de<Integerde< 扩展了 de<Numberde<（事实也是如此），那么不仅de<Integerde< 是 de<Numberde<，而且 de<Integer[]de< 也是 de<Number[]de<，在要求 de<Number[]de< 的地方完全可以传递或者赋予 de<Integer[]de<。（更正式地说，如果 de<Numberde< 是 de<Integerde< 的超类型，那么 de<Number[]de< 也是 de<Integer[]de< 的超类型）。您也许认为这一原理同样适用于泛型类型 —— de<List<Number>de< 是 de<List<Integer>de< 的超类型，那么可以在需要 de<List<Number>de< 的地方传递 de<List<Integer>de<。不幸的是，情况并非如此。 不允许这样做有一个很充分的理由：这样做将破坏要提供的类型安全泛型。如果能够将 de<List<Integer>de< 赋给 de<List<Number>de<。那么下面的代码就允许将非 de<Integerde< 的内容放入 de<List<Integer>de<： 因为 de<lnde< 是 de<List<Number>de<，所以向其添加 de<Floatde< 似乎是完全合法的。但是如果 de<lnde< 是 de<lide< 的别名，那么这就破坏了蕴含在 de<lide< 定义中的类型安全承诺 —— 它是一个整数列表，这就是泛型类型不能协变的原因。 其他的协变问题 数组能够协变而泛型不能协变的另一个后果是，不能实例化泛型类型的数组（de<new List<String>[3]de< 是不合法的），除非类型参数是一个未绑定的通配符（de<new List<?>[3]de< 是合法的）。让我们看看如果允许声明泛型类型数组会造成什么后果： 最后一行将抛出 de<ClassCastExceptionde<，因为这样将把 de<List<Integer>de< 填入本应是 de<List<String>de< 的位置。因为数组协变会破坏泛型的类型安全，所以不允许实例化泛型类型的数组（除非类型参数是未绑定的通配符，比如 de<List<?>de<）。 构造延迟 因为可以擦除功能，所以 de<List<Integer>de< 和 de<List<String>de< 是同一个类，编译器在编译 de<List<V>de< 时只生成一个类（和 C++ 不同）。因此，在编译 de<List<V>de< 类时，编译器不知道 de<Vde< 所表示的类型，所以它就不能像知道类所表示的具体类型那样处理 de<List<V>de< 类定义中的类型参数（de<List<V>de< 中的 de<Vde<）。 因为运行时不能区分 de<List<String>de< 和 de<List<Integer>de<（运行时都是 de<Listde<），用泛型类型参数标识类型的变量的构造就成了问题。运行时缺乏类型信息，这给泛型容器类和希望创建保护性副本的泛型类提出了难题。 比如泛型类 de<Foode<： 假设 de<doSomething()de< 方法希望复制输入的 de<paramde< 参数，会怎么样呢？没有多少选择。您可能希望按以下方式实现 de<doSomething()de<： 但是您不能使用类型参数访问构造函数，因为在编译的时候还不知道要构造什么类，因此也就不知道使用什么构造函数。使用泛型不能表达“de<Tde< 必须拥有一个拷贝构造函数（copy constructor）”（甚至一个无参数的构造函数）这类约束，因此不能使用泛型类型参数所表示的类的构造函数。 de<clone()de< 怎么样呢？假设在 de<Foode< 的定义中，de<Tde< 扩展了 de<Cloneablede<： 不幸的是，仍然不能调用 de<param.clone()de<。为什么呢？因为 de<clone()de< 在 de<Objectde< 中是保护访问的，调用 de<clone()de< 必须通过将 de<clone()de< 改写公共访问的类引用来完成。但是重新声明 de<clone()de< 为 public 并不知道de<Tde<，因此克隆也无济于事。 构造通配符引用 因此，不能复制在编译时根本不知道是什么类的类型引用。那么使用通配符类型怎么样？假设要创建类型为 de<Set<?>de< 的参数的保护性副本。您知道 de<Setde< 有一个拷贝构造函数。而且别人可能曾经告诉过您，如果不知道要设置的内容的类型，最好使用 de<Set<?>de< 代替原始类型的 de<Setde<，因为这种方法引起的未检查类型转换警告更少。于是，可以试着这样写： 不幸的是，您不能用通配符类型的参数调用泛型构造函数，即使知道存在这样的构造函数也不行。不过您可以这样做： 这种构造不那么直观，但它是类型安全的，而且可以像 de<new HashSet<?>(set)de< 那样工作。 构造数组 如何实现 de<ArrayList<V>de<？假设类 de<ArrayListde< 管理一个 de<Vde< 数组，您可能希望用 de<ArrayList<V>de< 的构造函数创建一个 de<Vde< 数组： 但是这段代码不能工作 —— 不能实例化用类型参数表示的类型数组。编译器不知道 de<Vde< 到底表示什么类型，因此不能实例化 de<Vde< 数组。 Collections 类通过一种别扭的方法绕过了这个问题，在 Collections 类编译时会产生类型未检查转换的警告。de<ArrayListde< 具体实现的构造函数如下： 为何这些代码在访问 de<backingArrayde< 时没有产生 de<ArrayStoreExceptionde< 呢？无论如何，都不能将 de<Objectde< 数组赋给 de<Stringde< 数组。因为泛型是通过擦除实现的，de<backingArrayde< 的类型实际上就是 de<Object[]de<，因为de<Objectde< 代替了 de<Vde<。这意味着：实际上这个类期望 de<backingArrayde< 是一个 de<Objectde< 数组，但是编译器要进行额外的类型检查，以确保它包含 de<Vde< 类型的对象。所以这种方法很奏效，但是非常别扭，因此不值得效仿（甚至连泛型 Collections 框架的作者都这么说，请参阅参考资料）。 还有一种方法就是声明 de<backingArrayde< 为 de<Objectde< 数组，并在使用它的各个地方强制将它转化为 de<V[]de<。仍然会看到类型未检查转换警告（与上一种方法一样），但是它使一些未明确的假设更清楚了（比如de<backingArrayde< 不应逃避 de<ArrayListde< 的实现）。 其他方法 最好的办法是向构造函数传递类文字（de<Foo.classde<），这样，该实现就能在运行时知道 de<Tde< 的值。不采用这种方法的原因在于向后兼容性 —— 新的泛型集合类不能与 Collections 框架以前的版本兼容。 下面的代码中 de<ArrayListde< 采用了以下方法： 但是等一等！仍然有不妥的地方，调用 de<Array.newInstance()de< 时会引起未经检查的类型转换。为什么呢？同样是由于向后兼容性。de<Array.newInstance()de< 的签名是： 而不是类型安全的： 为何 de<Arrayde< 用这种方式进行泛化呢？同样是为了保持向后兼容。要创建基本类型的数组，如 de<int[]de<，可以使用适当的包装器类中的 de<TYPEde< 字段调用 de<Array.newInstance()de<（对于 de<intde<，可以传递 de<Integer.TYPEde< 作为类文字）。用 de<Class<T>de< 参数而不是 de<Class<?>de< 泛化 de<Array.newInstance()de<，对于引用类型有更好的类型安全，但是就不能使用 de<Array.newInstance()de< 创建基本类型数组的实例了。也许将来会为引用类型提供新的 de<newInstance()de< 版本，这样就两者兼顾了。 在这里可以看到一种模式 —— 与泛型有关的很多问题或者折衷并非来自泛型本身，而是保持和已有代码兼容的要求带来的副作用。 泛化已有的类 在转化现有的库类来使用泛型方面没有多少技巧，但与平常的情况相同，向后兼容性不会凭空而来。我已经讨论了两个例子，其中向后兼容性限制了类库的泛化。 另一种不同的泛化方法可能不存在向后兼容问题，这就是 de<Collections.toArray(Object[])de<。传入 de<toArray()de< 的数组有两个目的 —— 如果集合足够小，那么可以将其内容直接放在提供的数组中。否则，利用反射（reflection）创建相同类型的新数组来接受结果。如果从头开始重写 Collections 框架，那么很可能传递给 de<Collections.toArray()de< 的参数不是一个数组，而是一个类文字： 因为 Collections 框架作为良好类设计的例子被广泛效仿，但是它的设计受到向后兼容性约束，所以这些地方值得您注意，不要盲目效仿。 首先，常常被混淆的泛型 Collections API 的一个重要方面是 de<containsAll()de<、de<removeAll()de< 和 de<retainAll()de< 的签名。您可能认为 de<remove()de< 和 de<removeAll()de< 的签名应该是： 但实际上却是： 为什么呢？答案同样是因为向后兼容性。de<x.remove(o)de< 的接口表明“如果 de<ode< 包含在 de<xde< 中，则删除它，否则什么也不做。”如果 de<xde< 是一个泛型集合，那么 de<ode< 不一定与 de<xde< 的类型参数兼容。如果 de<removeAll()de< 被泛化为只有类型兼容时才能调用（de<Collection<? extends E>de<），那么在泛化之前，合法的代码序列就会变得不合法，比如： 如果上述片段用直观的方法泛化（将 de<cde< 设为 de<Collection<Integer>de<，de<rde< 设为 de<Collection<Object>de<），如果 de<removeAll()de< 的签名要求其参数为 de<Collection<? extends E>de< 而不是 no-op，那么就无法编译上面的代码。泛型类库的一个主要目标就是不打破或者改变已有代码的语义，因此，必须用比从头重新设计泛型所使用类型约束更弱的类型约束来定义 de<remove()de<、de<removeAll()de<、de<retainAll()de< 和 de<containsAll()de<。 在泛型之前设计的类可能阻碍了“显然的”泛型化方法。这种情况下就要像上例这样进行折衷，但是如果从头设计新的泛型类，理解 Java 类库中的哪些东西是向后兼容的结果很有意义，这样可以避免不适当的模仿。 擦除的实现 因为泛型基本上都是在 Java 编译器中而不是运行库中实现的，所以在生成字节码的时候，差不多所有关于泛型类型的类型信息都被“擦掉”了。换句话说，编译器生成的代码与您手工编写的不用泛型、检查程序的类型安全后进行强制类型转换所得到的代码基本相同。与 C++ 不同，de<List<Integer>de< 和 de<List<String>de< 是同一个类（虽然是不同的类型但都是 de<List<?>de< 的子类型，与以前的版本相比，在 JDK 5.0 中这是一个更重要的区别）。 擦除意味着一个类不能同时实现 de<Comparable<String>de< 和 de<Comparable<Number>de<，因为事实上两者都在同一个接口中，指定同一个 de<compareTo()de< 方法。声明 de<DecimalStringde< 类以便与 de<Stringde< 与 de<Numberde< 比较似乎是明智的，但对于 Java 编译器来说，这相当于对同一个方法进行了两次声明： 擦除的另一个后果是，对泛型类型参数是用强制类型转换或者 de<instanceofde< 毫无意义。下面的代码完全不会改善代码的类型安全性： 编译器仅仅发出一个类型未检查转换警告，因为它不知道这种转换是否安全。de<naiveCast()de< 方法实际上根本不作任何转换，de<Tde< 直接被替换为 de<Objectde<，与期望的相反，传入的对象被强制转换为 de<Objectde<。 擦除也是造成上述构造问题的原因，即不能创建泛型类型的对象，因为编译器不知道要调用什么构造函数。如果泛型类需要构造用泛型类型参数来指定类型的对象，那么构造函数应该接受类文字（de<Foo.classde<）并将它们保存起来，以便通过反射创建实例。 结束语 泛型是 Java 语言走向类型安全的一大步，但是泛型设施的设计和类库的泛化并非未经过妥协。扩展虚拟机指令集来支持泛型被认为是无法接受的，因为这会为 Java 厂商升级其 JVM 造成难以逾越的障碍。因此采用了可以完全在编译器中实现的擦除方法。类似地，在泛型 Java 类库时，保持向后兼容也为类库的泛化方式设置了很多限制，产生了一些混乱的、令人沮丧的结构（如 de<Array.newInstance()de<）。这并非泛型本身的问题，而是与语言的演化与兼容有关。但这些也使得泛型学习和应用起来更让人迷惑，更加困难。 参考资料
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