Java 理论和实践: 了解泛型识别和避免学习使用泛型过程中的陷阱

2022-09-18 07:16:12

Brian Goetz (brian@quiotix.com), 首席顾问, Quiotix

简介： JDK 5.0 中增加的泛型类型，是 Java 语言中类型安全的一次重要改进。但是，对于初次使用泛型类型的用户来说，泛型的某些方面看起来可能不容易明白，甚至非常奇怪。在本月的“Java 理论和实践”中，Brian Goetz 分析了束缚第一次使用泛型的用户的常见陷阱。您可以通过讨论论坛与作者和其他读者分享您对本文的看法。（也可以单击本文顶端或底端的讨论来访问这个论坛。）

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 Integer扩展了 Number（事实也是如此），那么不仅 Integer是 Number，而且 Integer[]也是 Number[]，在要求Number[]的地方完全可以传递或者赋予 Integer[]。（更正式地说，如果 Number是 Integer的超类型，那么 Number[]也是Integer[]的超类型）。您也许认为这一原理同样适用于泛型类型 —— List<Number>是 List<Integer>的超类型，那么可以在需要List<Number>的地方传递 List<Integer>。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 List<Integer>赋给 List<Number>。那么下面的代码就允许将非 Integer的内容放入 List<Integer>：

 List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();

 List<Number> ln = li; // illegal

 ln.add(new Float(3.1415));

因为 ln是 List<Number>，所以向其添加 Float似乎是完全合法的。但是如果 ln是 li的别名，那么这就破坏了蕴含在 li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（new List<String>[3]是不合法的），除非类型参数是一个未绑定的通配符（new List<?>[3]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：

 List<String>[] lsa = new List<String>[10]; // illegal

 Object[] oa = lsa;  // OK because List<String> is a subtype of Object

 List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();

 li.add(new Integer(3));

 oa[0] = li;

 String s = lsa[0].get(0);

最后一行将抛出 ClassCastException，因为这样将把 List<Integer>填入本应是 List<String>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 List<?>）。

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构造延迟

因为可以擦除功能，所以 List<Integer>和 List<String>是同一个类，编译器在编译 List<V>时只生成一个类（和 C++ 不同）。因此，在编译 List<V>类时，编译器不知道 V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 List<V>类定义中的类型参数（List<V>中的 V）。

因为运行时不能区分 List<String>和 List<Integer>（运行时都是 List），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 Foo：

 class Foo<T> {

  public void doSomething(T param) { ... }

 }

假设 doSomething()方法希望复制输入的 param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 doSomething()：

 public void doSomething(T param) {

  T copy = new T(param);  // illegal

 }

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“T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。

clone()怎么样呢？假设在 Foo的定义中，T扩展了 Cloneable：

 class Foo<T extends Cloneable> {

  public void doSomething(T param) {

    T copy = (T) param.clone();  // illegal

  }

 }

不幸的是，仍然不能调用 param.clone()。为什么呢？因为 clone()在 Object中是保护访问的，调用 clone()必须通过将 clone()改写公共访问的类引用来完成。但是重新声明 clone()为 public 并不知道 T，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 Set<?>的参数的保护性副本。您知道 Set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 Set<?>代替原始类型的 Set，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：

 class Foo {

  public void doSomething(Set<?> set) {

    Set<?> copy = new HashSet<?>(set);  // illegal

  }

 }

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：

 class Foo {

  public void doSomething(Set<?> set) {

    Set<?> copy = new HashSet<Object>(set);

  }

 }

这种构造不那么直观，但它是类型安全的，而且可以像 new HashSet<?>(set)那样工作。

构造数组

如何实现 ArrayList<V>？假设类 ArrayList管理一个 V数组，您可能希望用 ArrayList<V>的构造函数创建一个 V数组：

 class ArrayList<V> {

  private V[] backingArray;

  public ArrayList() {

    backingArray = new V[DEFAULT_SIZE]; // illegal

  }

 }

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 V到底表示什么类型，因此不能实例化 V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。ArrayList具体实现的构造函数如下：

 class ArrayList<V> {

  private V[] backingArray;

  public ArrayList() {

    backingArray = (V[]) new Object[DEFAULT_SIZE];

  }

 }

为何这些代码在访问 backingArray时没有产生 ArrayStoreException呢？无论如何，都不能将 Object数组赋给 String数组。因为泛型是通过擦除实现的，backingArray的类型实际上就是 Object[]，因为 Object代替了 V。这意味着：实际上这个类期望backingArray是一个 Object数组，但是编译器要进行额外的类型检查，以确保它包含 V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 backingArray为 Object数组，并在使用它的各个地方强制将它转化为 V[]。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 backingArray不应逃避 ArrayList的实现）。

其他方法

最好的办法是向构造函数传递类文字（Foo.class），这样，该实现就能在运行时知道 T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 ArrayList采用了以下方法：

 public class ArrayList<V> implements List<V> {

  private V[] backingArray;

  private Class<V> elementType;

  public ArrayList(Class<V> elementType) {

    this.elementType = elementType;

    backingArray = (V[]) Array.newInstance(elementType, DEFAULT_LENGTH);

  }

 }

但是等一等！仍然有不妥的地方，调用 Array.newInstance()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。Array.newInstance()的签名是：

 public static Object newInstance(Class<?> componentType, int length)

而不是类型安全的：

 public static<T> T[] newInstance(Class<T> componentType, int length)

为何 Array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 int[]，可以使用适当的包装器类中的TYPE字段调用 Array.newInstance()（对于 int，可以传递 Integer.TYPE作为类文字）。用 Class<T>参数而不是 Class<?>泛化Array.newInstance()，对于引用类型有更好的类型安全，但是就不能使用 Array.newInstance()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 newInstance()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。

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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 Collections.toArray(Object[])。传入 toArray()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 Collections.toArray()的参数不是一个数组，而是一个类文字：

 interface Collection<E> {

  public T[] toArray(Class<T super E> elementClass);

 }

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 containsAll()、removeAll()和 retainAll()的签名。您可能认为remove()和 removeAll()的签名应该是：

 interface Collection<E> {

  public boolean remove(E e);  // not really

  public void removeAll(Collection<? extends E> c);  // not really

 }

但实际上却是：

 interface Collection<E> {

  public boolean remove(Object o);

  public void removeAll(Collection<?> c);

 }

为什么呢？答案同样是因为向后兼容性。x.remove(o)的接口表明“如果 o包含在 x中，则删除它，否则什么也不做。”如果 x是一个泛型集合，那么 o不一定与 x的类型参数兼容。如果 removeAll()被泛化为只有类型兼容时才能调用（Collection<? extends E>），那么在泛化之前，合法的代码序列就会变得不合法，比如：

 // a collection of Integers

 Collection c = new HashSet();

 // a collection of Objects

 Collection r = new HashSet();

 c.removeAll(r);

如果上述片段用直观的方法泛化（将 c设为 Collection<Integer>，r设为 Collection<Object>），如果 removeAll()的签名要求其参数为 Collection<? extends E>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 remove()、removeAll()、retainAll()和containsAll()。

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。

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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，List<Integer>和 List<String>是同一个类（虽然是不同的类型但都是 List<?>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 Comparable<String>和 Comparable<Number>，因为事实上两者都在同一个接口中，指定同一个compareTo()方法。声明 DecimalString类以便与 String与 Number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：

public class DecimalString implements Comparable<Number>, Comparable<String>

{ ... } // nope

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 instanceof毫无意义。下面的代码完全不会改善代码的类型安全性：

 public <T> T naiveCast(T t, Object o) { return (T) o; }

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。naiveCast()方法实际上根本不作任何转换，T直接被替换为 Object，与期望的相反，传入的对象被强制转换为 Object。

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（Foo.class）并将它们保存起来，以便通过反射创建实例。

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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Array.newInstance()）。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。

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