详解 Java 泛型机制
泛型是什么？
使用泛型可以指定类型变量，从而让代码可以对不同类型的对象进行重用。以及，还可以让编译器更好的了解类型，从而避免强制类型转换，提升代码的安全性。
类型变量就是尖括号 <>中的变量，类型变量的命名规范是使用大写字母，例如 E 表示元素类型，K、V 分别表示键和值类型，T 和相邻的 U、S 表示任意类型。当然你也可以起其他的名字，编译器对此并没有强制限制，但是还是按照规范来。
泛型类
泛型类（generic class）就是有一个或多个类型变量的类。例如下面的 Pair 类，就有两个类型变量，分别是 T 和 U：
public class Pair<T, U> {
public T first;
public U second;
public Pair(T first, U second) {
this.first = first;
this.second = second;
}
}
在使用时，就可以传入任意的类型。例如：
Pair<Integer, String> pair = new Pair<>(1, "A");
思考一下，如果没有泛型的存在，那么当我们要操作不同类型的对象时，要么为每种类型都创建一个类，但是这样就会存在大量的重复代码，不容易维护。要么就直接使用对象的顶级父类 Object 类，但是这样的话在使用时就需要进行强制转换，存在安全问题，即使每次强转前进行判断，也会存在重复代码和遗漏的风险。
说回泛型类，泛型类的类型变量是定义在类名后面，在整个类中都可以使用定义的类型变量。所以在选择使用泛型类时，泛型变量应该是和类所关联的。如果仅与方法关联，那么可以使用泛型方法。
泛型方法
泛型方法的类型参数是定义在方法返回类型的前面的，只在当前方法中可以使用。例如：
public static <T> T getMiddle(T... a) {
return a[a.length / 2];
}
泛型方法可以在普通类中定义，也可以在泛型类中定义。如果泛型变量仅在方法内会用到，就可以考虑使用泛型方法。
类型变量的限制
默认情况下，类型变量可以是任何类型。但是有时候，我们需要限制类型变量的类型。此时可以通过 extends关键字来限制：
-
<T extends UpperBoundType>限制泛型类型为特定类型或者特定类型的子类
例如，假设我们有一个 Printer 类，我们只需要这个类打印动物的信息，那么就可以使用 <T extends Animal> 来限制只能接收 Animal 或其实现类：
public interface Animal {
String getName();
}
public static class Printer<T extends Animal> {
public void print(T t) {
System.out.println(t.getName());
}
}
public static class Dog implements Animal {
@Override
public String getName() {
return "Woof";
}
}
public static class Cat implements Animal {
@Override
public String getName() {
return "Meow";
}
}
public static void main(String[] args) {
Printer<Animal> animalPrinter = new Printer<>();
animalPrinter.print(new Dog());
animalPrinter.print(new Cat());
animalPrinter.print(new People("Abc")); // 如果试图传入一个其他类型，则会编译失败
}
一个类型变量，可以指定多个限制类型。例如：
public class Printer<T extends Dog & Animal> {
...
}
上面的限制的意思是，类型变量必须是 Dog 或其子类，并且实现了 Animal 接口。需要注意的是，在指定多个限制的类型时，除了第一个限制类型可以是类以外，其他的限制类型必须是接口类型。这是因为 Java 是不支持多重继承的。
类型擦除
由于泛型是在 Java 1.5 才推出的，所以 Java 为了保证在之前版本上的兼容性，泛型实际上在 JVM 中是没有的！
也就是说，编译器在编译时会擦除掉泛型的参数类型，并提供一个相应的原始类型（raw type），这个原始类型的名字就是去掉类型参数后的泛型类型名。类型变量会被擦除（erased），并替换为其限定类型，没有限定类型则替换为 Object 类型。
举个例子，如果我们定义了一个泛型类：
public class Printer<T> {
...
}
那么当类型擦除后，实际上就变为了 Printer<Object> 类型。
如果指定了限定类型，例如：
public class Printer<T extends Animal> {
...
}
那么擦除后，就变为了 Printer<Animal> 类型。
如果指定了多个限定的类型，那么擦除后就会是第一个限定的类型。例如：
public class Printer<T extends Dog & Animal> {
...
}
擦除后就变为了 Printer<Dog>类型。
Java 泛型的很多限制都是由于泛型擦除导致的，下面会详细介绍下泛型的局限性。
通配符
通配符（Wildcard）就是 Java 泛型中的问号 ? 。要想知道通配符是要解决什么样的问题，我觉得首先需要知道什么是 Variance（不知道这个正确的译名是什么，如有知道请留言）？
提到 Variance 必须先提到子类型（subtyping），子类型是面向对象中类型多态的其中一种表现形式，主要用于描述 is-a 这样的关系，例如 S 是 T 的子类型，那么 S is a subtype of T。
Variance 指的是如何根据组成类型之间的子类型关系，来确定更复杂的类型之间的子类型关系。
上面这段话比较绕，举个实际的例子来说，Variance 指的就是当子类型在更复杂的场景下，例如 If S is a subtype of T，那 Generic<S> is subtype of Generic<T> 这种关系是否还能成立。
Variance 分为下面几种形式：
- 不变（Invariance）：如果 B 是 A 的子类型，那么
Generic<B>不是Generic<A>的子类型。 - 协变（Covariance）：如果 B 是 A 的子类型，那么
Generic<B>是Generic<A>的子类型。 - 逆变（Contravariance）：如果 B 是 A 的子类型，那么
Generic<A>是Generic<B>的子类型（逆变就是逆转了子类型关系）。 - 双变（Bi-variance）：Java 中不存在双变，因此不讨论。
在 Java 当中，泛型是不变的，这也就意味着下面这段看似没问题的代码会报错：
List<Dog> dogs = new ArrayList<>();
List<Animal> animals = dogs; // 编译报错
因为按照不变的说明，List<Dog> 根本就不是 List<Animal> 的子类型，所以自然就不能赋值了。
Java 中的泛型采用不变性是为了保证类型安全。不过不变性虽然保证了类型安全，但是也让灵活性大大降低。为此，Java 提供了通配符，可以解除部分这种限制，也不损失安全性。
上界通配符
上界通配符的形式为：? extends Type，使用上限通配符可以将类型参数变为协变的，这就可以让原本无法赋值的类型可以正常赋值了。但是这在解除不变性限制的同时，也带来了新的限制，就是参数类型只能作为返回值类型，无法作为入参的类型。例如：
List<? extends Animal> animals = new ArrayList<Dog>(); // 可以正确赋值了
animals.add(new Dog()); // 编译错误，类型不匹配，无法写入，除非写入 null（也就是参数类型无法作为入参的类型）
Animal animal = animals.get(0); // 可以获取（也就是参数类型可作为返回值类型）
这就叫当上帝给你关了一扇门，同时会帮你打开一扇窗。尽管窗户有个洞，但总比没有好吧？你说是不是？
下界通配符
下界通配符的形式为：? super Type，使用下界通配符可以将类型参数变为逆变的，也就是说颠倒了类型关系，父类型可以赋值给子类型了！例如：
List<Animal> animals = new ArrayList<>();
List<? super Dog> dogs = animals; // 可以正确赋值！
看起来挺神奇的吧！这种方式同样也带来了新的限制，在使用这种变量的时候，不可以调用返回值包含类型参数的方法，也不能获得包含类型参数的字段值。简单来说，就是只能作为输入，但是不能输出。例如：
dogs.add(new Dog()); // 可以写入
Dog dog = dogs.get(0); // 编译报错，类型不匹配： Required type: Dog Provided: capture of ? super Dog
对于获取时编译报类型不匹配的问题，其实可以通过类型强制转换来解决。
无界通配符
无界通配符的形式就是一个单独的问号 ?。当我们对类型参数一无所知，但仍然希望以安全的方式使用它时，则可以考虑使用无界通配符。例如：
public static boolean hasNull(Pair<?> p) {
return p.first != null && p.second != null;
}
反射和泛型
因为泛型擦除，所以无法在反射时获取泛型类型。但是擦除的类依然保留原先泛型的微弱记忆。例如，如果定义了以下泛型方法：
public static <T extends Comparable<? super T>> T min(T[] a)
那么，可以通过反射可以获取到以下信息：
public static Comparable min(Comparable[] a)
也就是说，我们可以重新构造实现者声明的泛型类和方法的有关内容。但是，不会知道对于特定的对象或方法调用会如何解析类型参数。
为了表述泛型类型声明，可以使用 java.lang.reflect包中的接口 Type。这个接口包含以下子类型：
- Class 类：描述具体类型
- TypeVariable 接口：描述类型变量（如
T extends Comparable<? super T>） - WildcardType 接口：描述通配符（如
? super T） - ParameterizedType 接口：描述泛型类或接口类型（如
Comparable<? super T>） - GenericArrrayType 接口：描述泛型数组（如
T[]）
下面的这个示例程序，就是通过反射来打印指定类的信息：
public class GenericReflectionTest {
public static void main(String[] args) {
String className;
try (Scanner scanner = new Scanner(System.in)) {
System.out.println("Enter class name (e.g., java.util.Collections): ");
className = scanner.next();
}
try {
Class<?> cl = Class.forName(className);
ClassPrinter.print(cl);
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static class ClassPrinter {
public static void print(Class<?> cl) {
System.out.print(cl);
printTypes(cl.getTypeParameters(), "<", ", ", ">", true);
final Type sc = cl.getGenericSuperclass();
if (sc != null) {
System.out.print(" extends ");
printType(sc, false);
}
printTypes(cl.getGenericInterfaces(), " implements ", ", ", "", false);
System.out.print(" {");
System.out.println();
final Method[] methods = cl.getDeclaredMethods();
for (int i = 0; i < methods.length; i++) {
final Method method = methods[i];
printMethod(method);
if (i < methods.length - 1) {
System.out.println();
}
}
System.out.println();
System.out.print("}");
}
private static void printTypes(Type[] types, String pre, String sep, String suf, boolean isDefinition) {
if (pre.equals(" extends ") && Arrays.equals(types, new Type[]{Object.class})) {
return;
}
if (types.length > 0) {
System.out.print(pre);
}
for (int i = 0; i < types.length; i++) {
if (i > 0) {
System.out.print(sep);
}
printType(types[i], isDefinition);
}
if (types.length > 0) {
System.out.print(suf);
}
}
private static void printType(Type type, boolean isDefinition) {
if (type instanceof Class) { // 具体类型
Class<?> cl = (Class<?>) type;
System.out.print(cl.getName());
} else if (type instanceof TypeVariable) { // 类型变量
TypeVariable<?> tv = (TypeVariable<?>) type;
System.out.print(tv.getName());
if (isDefinition) {
printTypes(tv.getBounds(), " extends ", " & ", "", false);
}
} else if (type instanceof WildcardType) { // 通配符
WildcardType wt = (WildcardType) type;
System.out.print("?");
printTypes(wt.getUpperBounds(), " extends ", " & ", "", false);
printTypes(wt.getLowerBounds(), " super ", " & ", "", false);
} else if (type instanceof ParameterizedType) { // 泛型类或接口类型
ParameterizedType pt = (ParameterizedType) type;
Type ownerType = pt.getOwnerType();
if (ownerType != null) {
printType(ownerType, false);
}
printType(pt.getRawType(), false);
printTypes(pt.getActualTypeArguments(), "<", ", ", ">", false);
} else if (type instanceof GenericArrayType) { // 泛型数组
GenericArrayType gat = (GenericArrayType) type;
printType(gat.getGenericComponentType(), isDefinition);
System.out.print("[]");
} else {
System.out.print("unknown type: " + type);
}
}
private static void printMethod(Method m) {
final String name = m.getName();
System.out.print(" ");
System.out.print(Modifier.toString(m.getModifiers()));
System.out.print(" ");
printTypes(m.getTypeParameters(), "<", ", ", ">", true);
printType(m.getGenericReturnType(), false);
System.out.print(" ");
System.out.print(name);
System.out.print("(");
printTypes(m.getGenericParameterTypes(), "", ", ", "", false);
System.out.print(")");
}
}
}
以下面的这个测试类为例：
public class TestClass<T extends Comparable<? super T>> implements Cloneable {
public void test(T t) {
System.out.println(t);
}
}
运行上面的程序的输出结果是：
class com.airsaid.java.samples.generic.TestClass<T extends java.lang.Comparable<? super T>> extends java.lang.Object implements java.lang.Cloneable {
public void test(T)
}
类型字面量
有时候，我们确实需要在运行时获取泛型的参数类型，那么真的就没有办法了吗？
答案是有的，在上面反射的例子中我们可以看到，字节码当中其实保存了部分的泛型信息（签名信息）。
举一个实际场景的例子，Gson 这个框架相信大家都用过。在进行反序列化时，有多个重载方法：
fromJson(String json, Class cl)fromJson(String json, TypeToken type)
当使用第一个方法时，如果第二个参数是一个泛型类的 class 对象，那么就会出现问题。例如下面的这段示例代码：
Foo<DataBean> foo = new Foo<DataBean>();
gson.fromJson(json, foo.getClass());
这是因为无法获取到 Foo 类的泛型参数 DataBean。
因此，Gson 提供了 TypeToken 类来处理这种问题。使用起来是这样的：
Foo<DataBean> foo = new Foo<DataBean>();
gson.fromJson(json, new TypeToken<Foo<DataBean>>(){});
下面是我简化过后的 TypeToken 源码：
public class TypeToken<T> {
private final Type type;
protected TypeToken() {
this.type = getTypeTokenTypeArgument();
}
public Type getType() {
return type;
}
private Type getTypeTokenTypeArgument() {
final Type superclass = getClass().getGenericSuperclass();
if (superclass instanceof ParameterizedType) {
ParameterizedType parameterized = (ParameterizedType) superclass;
if (parameterized.getRawType() == TypeToken.class) {
return parameterized.getActualTypeArguments()[0];
}
} else if (superclass == TypeToken.class) {
throw new IllegalStateException("TypeToken must be created with a type argument: new TypeToken<...>() {}; "
+ "When using code shrinkers (ProGuard, R8, ...) make sure that generic signatures are preserved.");
}
throw new IllegalStateException("Must only create direct subclasses of TypeToken");
}
}
TypeToken 的原理就是创建了一个匿名子类对象，然后通过 getGenericSuperclass()方法获取其泛型父类，再获取其中定义的参数化类型的类型参数。通过这种方式，就可以获取到 TypeToken 所定义的泛型类型了：
public class TypeTokenTest {
public static void main(String[] args) {
TypeToken<?> typeToken = new TypeToken<List<String>>() {};
System.out.println(typeToken.getType()); // java.util.List<java.lang.String>
}
}
限制和局限性
不能使用基本类型实例化类型参数
泛型的类型参数不可以使用基本类型，例如 Pair<int>，这是因为类型擦除后类型变为了 Object，而 Object 无法存储基本类型数值。对于这种情况，我们需要使用基本类型对应的包装类型。
运行时类型查询只适用于原始类型
同样也是由于类型擦除导致的问题，如果要在代码中进行判断是否是某个泛型类型，这是无法做到的。例如：
if (a instanceof Pair<String>) // 错误
不能创建参数化类型的数组
还是由于类型擦除导致的问题，无法实例化参数化类型的数组。例如：
Pair<String>[] table = new Pair<String>[10]; // 错误
不能创建 Throwable 的子类为泛型类
如果希望创建一个 Throwable 的子类，那么子类就不可以是泛型类。例如：
class Generic<T> extends Exception {
}
此时，编译器会直接报错，提示：Subclass of 'Throwable' may not have type parameters。
这还是因为泛型擦除，这就导致在 catch 时不知道该执行哪个代码分支：
try {
...
} catch (Generic<String> e) {
} catch (Generic<Integer> e) {
}
