Java 理论和实践: 了解泛型

java 代码

识别和避免学习使用泛型过程中的陷阱

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></number> 是 List<integer></integer> 的超类型，那么可以在需要 List<number></number> 的地方传递 List<integer></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></integer> 赋给 List<number></number>。那么下面的代码就允许将非 Integer 的内容放入 List<integer></integer>：

java 代码

List<integer></integer> li = new ArrayList<integer></integer>();
List<number></number> ln = li; // illegal
ln.add(new Float(3.1415));

因为 ln 是 List<number></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></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：

java 代码

List<string></string>[] lsa = new List<string></string>[10]; // illegal
Object[] oa = lsa;  // OK because List<string></string> is a subtype of Object
List<integer></integer> li = new ArrayList<integer></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></integer> 填入本应是 List<string></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）。

构造延迟

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

因为运行时不能区分 List<string></string> 和 List<integer></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：

java 代码

class Foo<t></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()：

java 代码

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：

java 代码

class Fooextends 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：

java 代码

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：

java 代码

class Foo {
  public void doSomething(Set set) {
    Set copy = new HashSet
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