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
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。
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。
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 ? )。
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。
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。
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)。
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。
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 // not really
但实际上却是:
interface Collection E { public boolean remove(Object o); public void removeAll(Collection ?
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。
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。
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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Java学习之路006——Servlet开发 包括引入servlet的api库、IDEA2022配置servlet有关操作,以及servlet的xml配置与注解使用;以及简单的servlet编程实现。
Java学习之路003——集合 Java基础操作之——集合。文章演示了集合的一些常规常用的操作,以及遍历、Set集合、Map集合、和一些集合操作工具的使用。
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