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[Java教程]Core Java笔记 7.泛型(I)


本章重点:

  • 为何要使用泛型
  • 定义泛型类
  • 定义泛型方法
  • 原理:Java 泛型代码机制
  • 泛型与多态的冲突与解决

本文主要介绍 Java 泛型的概念和定义,以及 Java 泛型机制的实现原理。

为何要使用泛型

使用泛型程序设计,可以避免随处可见的 Object 以及强制转换,提高了代码的安全性和可读性。


定义泛型类

类型参数(type parameters): Java 和C++一样,通过引入类型参数进行泛型编程。

泛型类(generic class): 指含有一个或者多个类型参数的类。

e.g.

package corejava.generic;/** * Created by guolong.fan on 15/5/4. */ class Pair<T> {  public Pair() { first = null; second = null;}  public Pair(T first, T second) {    this.first = first;    this.second = second;  }  public T getFirst() { return first; }  public T getSecond() { return second; }  public void setFirst(T newValue) { first = newValue; }  public void setSecond(T newValue) { second = newValue; }  private T first;  private T second;}public class PairTest {  public static void main(String[] args) {    String[] words = { "Mary", "had", "a", "little", "lamb" };        Pair<String> mm = minmax(words);    System.out.println("min = " + mm.getFirst());    System.out.println("max = " + mm.getSecond());  }  // 后面会引入 泛型方法 写更加通用的方法  public static Pair<String> minmax(String[] a) {    if (a == null || a.length == 0) return null;    String min = a[0];    String max = a[0];    for (String ele : a) {      if (min.compareTo(ele) > 0) min = ele;      if (max.compareTo(ele) < 0) max = ele;    }    return new Pair<String>(min, max);  }}


定义泛型方法

可以在普通类中定义泛型方法。

概念: 类型推断, 类型限定,多类型限定。

e.g.

package corejava.generic;/** * Created by guolong.fan on 15/5/4. */class ArrayAlg {  // 概念1: 最简单的泛型方法(无类型限定)  public static <T> T getMiddle(T[] a) {    return a[a.length/2];  }  // 概念2. 类型限定:<T extends Comparable>  public static <T extends Comparable> T min(T[] a) {    if (a == null || a.length == 0) return null;    T min = a[0];    for (T ele : a) {      if (min.compareTo(ele) > 0) min = ele;    }    return min;  }  // 概念3. 多类型限定: <T extends Comparable & Serializable>    // 概念4. Comparable 本身是泛型,下一讲会介绍完整的限定写法.}public class ArrayAlgTest {  public static void main(String[] args) {    String[] names = { "John", "Q.", "Public" };    // 概念4. 类型推断    String middle = ArrayAlg.<String>getMiddle(names);    // 简化写法. 编译器会做类型推断.    // String middle = ArrayAlg.getMiddle(names);          // 概念5. 基本类型无法用于泛型(见后面详解)    // int midVal = ArrayAlg.getMiddle(new double[] {120.2, 14, 34}); // Compile ERROR!!!  }}


原理:Java 泛型代码机制

泛型类可以看成普通类的工厂! JVM 没有泛型类型对象 —— 所有对象都是普通类对象。泛型是编译器行为. 这是 Java 和C++泛型的本质区别,也是 Java 泛型表达能力弱的根源.

编译器如何编译 Java 泛型代码

过程:

  1. 擦除(Erase): 泛型类和泛型方法无论何时定义泛型类型,都会自动提供一个对应的原始类型(raw type). 例如: Pair 的原始类型就是 Pair。
  2. 使用端(具体的泛型类):泛型代码块翻译

1. erase

泛型类和泛型方法的擦除策略: 分为两种情况:有限定和无限定(即默认 Object 限定). 无限定采用 Object 进行擦除(这是 Java 泛型不支持基本类型的原因),
限定采用第一个限定(即extends 后面的第一个接口/类)擦除.

Pair 会被擦除为:

class Pair {  public Pair() { first = null; second = null;}  public Pair(Object first, Object second) {    this.first = first;    this.second = second;  }  public Object getFirst() { return first; }  public Object getSecond() { return second; }  public void setFirst(Object newValue) { first = newValue; }  public void setSecond(Object newValue) { second = newValue; }  private Object first;  private Object second;}

限定切换与性能

对于诸如:多限定的泛型类/泛型方法,会产生切换限定的概念, 采用第一个类型进行擦除,代码必要时会插入强类型转换来切换限定,所以为了提高效率(减少强制转换),应该将 tagging 接口放在末尾,主要看哪个使用的多。

2. 泛型代码块翻译

使用端使用具体的泛型类,这时候编译器实际上是通过添加强制转换代码来完成的。

e.g.

Pair<Employee> buddies = ...;Employee buddy = buddies.getFirst();// 会被翻译成两条指定:Object obj = buddies.getFirst();Employee buddy = (Employee) obj;


泛型与多态的冲突与解决

问题1: 类型擦除与多态冲突

假如:

public class DateInterval extends Pair<Date> {    @Override  public void setSecond(Date second) {    if (second.compareTo(getFirst()) >= 0) {      super.setSecond(second);    }  }  }

DateInterval 会被 erase 为:

public class DateInterval extends Pair {    @Override  public void setSecond(Date second) {    ... ...  }  ... ... }

这时候 DateInterval 就会有两个 setSecond 方法,一个是从 Pair 继承而来的方法,一个是 @Override 的 setSecond 方法。

那么问题来了,多态不是失效啦么??@Override应该会导致编译出错啊(@Override会执行编译检查)?那么 Java 编译器是如何解决的呢??

分析:

➜ javap -private DateIntervalCompiled from "DateInterval.java"public class corejava.generic.DateInterval extends corejava.generic.Pair{  public corejava.generic.DateInterval();  public void setSecond(java.util.Date);  public void setSecond(java.lang.Object); // 注: bridge method.}

其实 Java 编译器会为 DateInterval 类生成一个 bridge method.
这个 bridge method 大致实现是:

public void setSecond(java.lang.Object) {   setSecond((Date) second);}

这样就保证了 Java 多态语义,其实 @Override 的是 setSecond(Object).

问题2: 返回值冲突与解决

如果返回值出现冲突
e.g.

public class DateInterval extends Pair<Date> {  ...   @Override  public Date getSecond() {    return (Date)super.getSecond().clone();  }}

分析:

➜ generic javap -private DateInterval Compiled from "DateInterval.java"   public class corejava.generic.DateInterval extends corejava.generic.Pair{  public corejava.generic.DateInterval();  public java.util.Date getSecond();  public java.lang.Object getSecond(); // 注: bridge method}

一个惊人的发现: 竟然有两个方法名和参数完全一样的方法,你没看错,真的有两个,你需要知道的是:JVM 能够正确处理调用哪个方法(其实就是调用 bridge method, bridge method 再调用协变方法).

Java SE5.0 中增加了一个额外的特性: 协变。也是通过 bridge method 实现的。

小总结

  1. JVM 中没有泛型,只有普通类和普通方法.
  2. 所有的类型参数都用它们的限定类型替换(erase).
  3. bridge method 用来解决泛型和多态的冲突.
  4. 为保持类型安全性,编译器必要时插入强制类型转换.