Java隨筆-Java泛型的一點學習

凱倫說_美團點評發表於2017-12-02
Java泛型

Java泛型

Java泛型（generics）是JDK 5中引入的一個新特性，允許在定義類和介面的時候使用型別引數（type parameter）。宣告的型別引數在使用時用具體的型別來替換。泛型最主要的應用是在JDK 5中的新集合類框架中。泛型的引入可以解決JDK5之前的集合類框架在使用過程中較為容出現的執行時型別轉換異常，因為編譯器可以在編譯時通過型別檢查，規避掉一些潛在的風險。

在JDK5之前，使用集合框架時，是沒有型別資訊的，統一使用Object,我找了一段JDK4 List介面的方法簽名

clipboard.png
如下是JDK5開始引入泛型，List介面的改動，新的方法簽名，引入了型別引數。

boolean add(E e);
複製程式碼

在JDK5之前，使用集合類時，可以往其中新增任意元素，因為其中的型別是Object，在取出的階段做強制轉換，由此可能引發很多意向不到的執行時強制轉換錯誤,比如以下程式碼。

public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        List a = new ArrayList();
        a.add("123");
        a.add(1);             
        // 以上程式碼可以正常通過編譯，其中同時含有了Integer型別和String型別
        for (int i = 0 ; i < a.size(); i++) {
            int result = (Integer)a.get(i);    // 在取出時需要對Object進行強制轉型
            System.out.println(result);
        }
    }
}
複製程式碼

如上程式碼就會在執行時階段帶來強轉異常，在編譯時間不能夠排查出潛在風險。

clipboard.png
如果使用泛型機制，可以在編譯期間就檢查出List的型別插入的有問題，進行規避，如下程式碼。

public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> a = new ArrayList();
        a.add("123");          // 編譯不通過
        a.add(1);
    }
}
複製程式碼

引入泛型後，編譯器會在編譯時先根據型別引數進行型別檢查，杜絕掉一些潛在風險。 為何說是在編譯時檢查，因為在執行時仍然是可以通過反射，將不符合型別引數的資料插入至list中，如下程式碼所示。

public class Test1 {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {
        List<Integer> a = new ArrayList();
        List b = new ArrayList();
        a.getClass().getMethod("add",Object.class).invoke(a,"abc");    
        // 以上程式碼編譯通過，執行通過
    }
}
複製程式碼

引入泛型的同時，也為了相容JDK5之前的類庫，JDK5開始引入的其實是偽泛型，在生成的Java位元組碼中是不包含泛型中的型別資訊的。使用泛型的時候加上的型別引數，會在編譯器在編譯的時候去掉。這個過程就稱為型別擦除。如在程式碼中定義的List等型別，在編譯後都會變成List，也就自然相容了JDK5之前的程式碼。 Java的泛型機制和C++等的泛型機制實現不同，Java的泛型靠的還是型別擦除，目的碼只會生成一份，犧牲的是執行速度。C++的模板會對針對不同的模板引數靜態例項化，目的碼體積會稍大一些，執行速度會快很多。

進行型別擦除後，型別引數原始型別（raw type）就是擦除去了泛型資訊，最後在位元組碼中的型別變數的真正型別。無論何時定義一個泛型型別，相應的原始型別都會被自動地提供。型別變數被擦除，並使用其限定型別（無限定的變數用Object）替換。

class Pair<T> {
    private T value;
    public T getValue() {
        return value;
    }
    public void setValue(T  value) {
        this.value = value;
    }
} 
  
Pair<T>的原始型別為：
class Pair {
    private Object value;
    public Object getValue() {
        return value;
    }
    public void setValue(Object  value) {
        this.value = value;
    }
}
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在Pair中，型別擦除，使用Object,其結果就是一個普通的類，如同泛型加入java程式語言之前已經實現的那樣。在程式中可以包含不同型別的Pair，如Pair或Pair，但是，擦除型別後它們就成為原始的Pair型別了，原始型別都是Object。ArrayList被擦除型別後，原始型別也變成了Object，通過反射我們就可以儲存字串了。

在呼叫泛型方法的時候，可以指定泛型，也可以不指定泛型。在不指定泛型的情況下，泛型變數的型別為 該方法中的幾種型別的同一個父類的最小級，直到Object。在指定泛型的時候，該方法中的幾種型別必須是該泛型例項型別或者其子類。

public class Test1 {
 
   public static void main(String[] args) {
 
      /** 不指定泛型的時候 */
      int i = Test1.add(1, 2); // 這兩個引數都是Integer，所以T為Integer型別
      Number f = Test1.add(1, 1.2);// 這兩個引數一個是Integer，以風格是Float，所以取同一父類的最小級，為Number
      Object o = Test1.add(1, "asd");// 這兩個引數一個是Integer，以風格是Float，所以取同一父類的最小級，為Object
 
      /** 指定泛型的時候 */
      int a = Test1.<Integer> add(1, 2);// 指定了Integer，所以只能為Integer型別或者其子類
      int b = Test1.<Integer> add(1, 2.2);// 編譯錯誤，指定了Integer，不能為Float
      Number c = Test1.<Number> add(1, 2.2); // 指定為Number，所以可以為Integer和Float
   }
 
   // 這是一個簡單的泛型方法
   public static <T> T add(T x, T y) {
      return y;
   }
}
複製程式碼

因為型別擦除的問題，所有的泛型型別變數最後都會被替換為原始型別，但在泛型的使用中，我們不需要對取出的資料做強制轉換。

public class Test1 {
 
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> a = new ArrayList();
        a.add(1);
 
        for (int i = 0 ; i < a.size(); i++) {
            int result = a.get(i);
            System.out.println(result);
        }
    }
}
複製程式碼

我們從位元組碼的角度來探索一下。

public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: new           #2                  // class java/util/ArrayList
       3: dup
       4: invokespecial #3                  // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
       7: astore_1
       8: aload_1
       9: iconst_1
      10: invokestatic  #4                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
      13: invokeinterface #5,  2            // InterfaceMethod java/util/List.add:(Ljava/lang/Object;)Z
      18: pop
      19: iconst_0
      20: istore_2
      21: iload_2
      22: aload_1
      23: invokeinterface #6,  1            // InterfaceMethod java/util/List.size:()I
      28: if_icmpge     58
      31: aload_1
      32: iload_2
      33: invokeinterface #7,  2            // InterfaceMethod java/util/List.get:(I)Ljava/lang/Object;
      38: checkcast     #8                  // class java/lang/Integer       這裡JVM做了強轉
      41: invokevirtual #9                  // Method java/lang/Integer.intValue:()I
      44: istore_3
      45: getstatic     #10                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      48: iload_3
      49: invokevirtual #11                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      52: iinc          2, 1
      55: goto          21
      58: return
複製程式碼

在偏移量38的位置可以看到，JVM使用了checkcast指令，說明雖然在編譯時進行了型別擦除，但是JVM中仍然保留了型別引數的元資訊，在取出時自動進行了強轉，這也算是使用泛型的方便之處吧。

在別人的例子有看到說型別擦除和多型的衝突，舉了一個例子。

public class Test1 {
 
   public static void main(String[] args) {
      DateInter dateInter = new DateInter();
      dateInter.setValue(new Date());
      dateInter.setValue(new Object());// 編譯錯誤
   }
}
 
class Pair<T> {
   private T value;
 
   public T getValue() {
      return value;
   }
 
   public void setValue(T value) {
      this.value = value;
   }
}
 
class DateInter extends Pair<Date> {
   @Override
   public Date getValue() {
      return super.getValue();
   }
 
   @Override
   public void setValue(Date value) {
      super.setValue(value);
   }
}
複製程式碼

因為在型別擦除後，父類也就變成了一個普通的類，如下所示

class Pair {
   private Object value;
 
   public Object getValue() {
      return value;
   }
 
   public void setValue(Object value) {
      this.value = value;
   }
}
複製程式碼

但這樣setValue就從重寫變成了過載，顯然打破了想達到的目的，那麼JVM是如何幫助解決這個衝突的呢？答案是 JVM幫我們搭了一個橋，具體我們從位元組碼的角度再來看看。

class DateInter extends Pair<java.util.Date> {
  DateInter();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method Pair."<init>":()V
       4: return
 
  public java.util.Date getValue();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #2                  // Method Pair.getValue:()Ljava/lang/Object;
       4: checkcast     #3                  // class java/util/Date
       7: areturn
 
  public void setValue(java.util.Date);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: invokespecial #4                  // Method Pair.setValue:(Ljava/lang/Object;)V
       5: return
 
  public void setValue(java.lang.Object);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: checkcast     #3                  // class java/util/Date
       5: invokevirtual #5                  // Method setValue:(Ljava/util/Date;)V
       8: return
 
  public java.lang.Object getValue();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokevirtual #6                  // Method getValue:()Ljava/util/Date;
       4: areturn
}
複製程式碼

從編譯的結果來看，我們本意重寫setValue和getValue方法的子類，有4個方法，最後的兩個方法，就是編譯器自己生成的橋接方法。可以看到橋方法的引數型別都是Object，也就是說，子類中真正覆蓋父類兩個方法的就是這兩個我們看不到的橋方法，打在我們自己定義的setvalue和getValue方法上面的@Oveerride只不過是假象。而橋方法的內部實現，就只是去呼叫我們自己重寫的那兩個方法。 所以，虛擬機器巧妙的使用了巧方法，來解決了型別擦除和多型的衝突。

最後附上最近在瀏覽一些別人經驗時得到一些tips。

  1. 使用JSON串反序列化物件集合時，記得標註物件的class型別，不然會得到一個只有原始型別也就是Object的集合，可能引起型別轉換錯誤，尤其是在服務呼叫的這種場景下。
  2. 重視編譯器提出的警告資訊。

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