Java泛型

Posted: 2021-06-08 Categories: Java Tags: Java , 泛型 , Generic Symbols: 7.7k Duration ≈ 9 mins.

（1）泛型的基本定义；（2）运行时泛型；（3）。

Java泛型

1. 泛型的基本定义

Java 中的泛型是 伪泛型，这是因为 Java 中的泛型会在编译期被擦除、在编译后通过强转实现类型的约束，换言之一个类不论具有多少种泛型变体，其编译后的类型都指向同一个原始类的字节码，好处是避免编译产物膨胀。而相比之下 C++ 的泛型（实际上是基于模板）在编译时会将每个模板都展开编译成不同的数据结构。

泛型的基本语法主要有以下几种：

上界约束：Data<? extends SuperType>
下届约束：Data<? super BaseType>
并列约束：Data<? extends BaseType & ITypeA & ITypeB>

1.1 上界约束和下届约束

在日常编码中绝大多数场景下都是用上界约束 extends 而极少见到 super，网上对于这两个约束的区别通常解释为：

extends：用于限定泛型类型的上界，表示类型参数必须是指定的类或其子类

super：用于限定泛型类型的下界，表示类型参数必须是指定的类或其父类

约等于废话。要理解它们的适用场景可以参考以下例子：

// 假设有一个工厂负责生产多种手机，设计如下手机数据结构：
public class BasePhone {
    public void call() { ... }
    public void unlock() { ... }
}
public class Apple extends IBasePhone {
    public void addFaceId() { ... }
}
public class Samsung extends BasePhone {
    public void addBoomb() { ... }
}

// 假设有一个工厂 PhoneFactory，它可以：
//   - 接受一系列手机信息用于生产；
//   - 给出一系列已经生产好的手机给用户使用；
// 设计如下工厂数据结构：
public class PhoneFactory {
    public void createPhones(List<? extends BasePhone> phones) { ... }
    public List<? super BasePhone> getAllPhones() { ... }
}

（1）对于 createPhones 方法，PhoneFactory 接收到的集合中的对象必须满足 T extends BasePhone，也就是说 PhoneFactory 在访问其中元素时已知每一个元素都可能会包含除了 BasePhone 以外的信息，就像 Apple 和 Samsung 一样每个手机都要添加不同的零部件。此时 PhoneFactory 只能读取其中的元素而无法添加任何元素，因为：

编译器无法推断存入的元素到底是 BasePhone 的哪一个子类；
编译器可以将所有取出的元素赋值为基类 BasePhone，等同于「将子类对象赋值给基类引用」；

这也明确了 PhoneFactory 作为消费者（消费 phones 列表）的职责。

（2）对于 getAllPhones 方法，PhoneFactory 返回的集合中的对象必须满足 T super BasePhone，也就是说用户访问到的元素（手机）最多只能包含 BasePhone 所含有的信息（即手机的最基本功能）。此时 PhoneFactory 只能向列表中添加元素而无法读取任何元素，因为：

编译器可以将每个元素都视为基类后存入集合中；
编译器无法推断取出来的元素到底应该赋值为哪个类型，等同于「无法将基类对象赋值给子类引用」，除非使用 Object 类型引用；

这也明确了 PhoneFactory 作为生产者（生产 allPhones 列表）的职责。

当然在本例中，两个方法都可以直接使用 List<BasePhone> 代替，但这只是一种普遍存在的偷懒做法，如果有更好的规范来约束数据结构、增强代码可读性，为什么不呢？

1.2 并列约束

可能很多人此刻才知道原来泛型还能并列声明，并列泛型可以同时对类型增加多个类或接口的约束，但是当存在多个并列约束时，仅有第一个声明可以是 class 类型，此时其他的生命都必须为 interface 类型；或是全部都为 interface 类型。例如：

// T 的实际类型必须同时满足以下条件：是 BaseType 或子类、并且实现了 ITypeA 和 ITypeB 接口。
private Data<T extends BaseType & ITypeA & ITypeB> data_1;

// K 的实际类型必须同时满足以下条件：实现了 ITypeA, ITypeB, ITypeC 接口。
private Data<K extends ITypeA & ITypeB & ITypeC> data_2;

但是要注意：当存在并列约束时，编译后的约束类型仅会保留第一个泛型声明，其他类型均是通过强转实现的：

public class BaseType {
    public void doBaseType() { ... }
}
public interface ITypeA {
    void doTypeA();
}
public interface ITypeB {
    void doTypeB();
}

public <T extends BaseType & ITypeA & ITypeB> void doWithType(T type) {
    type.doBaseType(); // 编译通过
    type.doTypeA(); // 编译通过
    type.doTypeB(); // 编译通过
}

编译以上代码之后的字节码为（省略部分）：

public <T extends com.example.BaseType & com.example.ITestA & com.example.ITestB> void doWithType(T);
    descriptor: (Lcom/example/BaseType;)V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
        stack=1, locals=2, args_size=2
             0: aload_1
             1: invokevirtual #16             // Method com/example/BaseType.doBaseType:()V
             4: aload_1
             5: checkcast     #17             // class com/example/ITypeA
             8: invokeinterface #18,  1       // InterfaceMethod com/example/ITypeA.doTypeA:()V
            13: aload_1
            14: checkcast     #19             // class com/example/ITestB
            17: invokeinterface #20,  1       // InterfaceMethod com/example/ITestB.doTypeB:()V
            22: return

注意 descriptor 中只包含了 BaseType 类型，而方法实现中的 checkcast 就是强制类型转换，反编译成代码如下（省略部分）：

public <T extends BaseTest & ITestA & ITestB> void doTest(T testObj) {
    testObj.baseTest();
    ((ITestA)testObj).testA();
    ((ITestB)testObj).testB();
}

1.3 上界和下届嵌套约束

此外，上界约束和下届约束是可以同时存在的，例如：

1
2
3

public <T extends Comparable<? super T>> void doWithType(T type) {
    ......
}

对上例中的泛型 T 拆解：

（1）首先 T 需要满足：实现了 Comparable<? super T> 接口，注意 super 约束意味着实现的接口不能使用子类，例如：

// 符合泛型约束 Comparable<? super T>
public class BaseType implementation Comparable<BaseType> { ... }

// 不符合泛型约束 Comparable<? super T>
public class BaseType implementation Comparable<SubType> { ... }
public class SubType extands BaseType { ... }

（2）其次 T 需要满足：作为实现了 Comparable<? super T> 的类型本身或其子类，例如：

1
2
3

// BaseType 和 SubType 均符合 T 的定义：
public class BaseType implementation Comparable<BaseType> { ... }
public class SubType extands BaseType { ... }

当然上下界约束嵌套的情况比较少见，了解其解析规则即可。

2. 运行时泛型

泛型信息存储在类信息中，但类信息有两种载体：

静态类信息：Object.class
对象类信息：(new Object()).getClass()

而泛型实际上保存在 对象类信息 中，而所有类型都可以分成两种：

Parameterized Type（参数化类型）：表示含有泛型信息的类型
Raw Type（原始类型）：表示不包含泛型的原始类型

编译后泛型会被擦除成 Raw Type，但 满足一定条件 的泛型会以 Parameterized Type 的形式保存在对象类信息中，这于泛型的擦除机制有关。

2.1 泛型擦除的规则

泛型擦除遵循以下规则：

（1）无约束泛型被擦除为 Object：

// 编译前：
public <T> T getData() { ... }

// 编译后：
public Object getData() { ... }

（2）约束泛型被擦除为约束类型本身：

// 编译前：
public <T extends BaseData> void setData(T data) { ... }
public <T super BaseData> getData() { ... }

// 编译后：
public void setData(BaseData data) { ... }
public BaseData getData() { ... }

（3）多约束泛型被擦除为第一个约束类型：

// 编译前：
public <T extends BaseType & IType> void doWithType(T type) { ... }

// 编译后：
// 注意：反编译工具在反编译时仍然会将入参 type 自动转换为 T 类型，
//      但实际上在字节码中，方法参数定义（descriptor）的类型只有 BaseType，详见前文。
public void doWithType(BaseType type) { ... }

（4）泛型容器类被擦除为原始类型（Raw Type）容器：

// 编译前：
private Map<KeyType, ValueType> map;
private List<List<DataType>> nestedList;
private Set<DataType>[] setArray;

// 编译后：
private Map map; // 等同于 Map<Object, Object>
private List nestedList; // 等同于 List<Object>
private Set[] setArray; // 等同于 Set<Object>[]

此外，如果通过反编译去分析泛型类的字节码，会发现实际上字节码记录了泛型的详细上下文，但是这并不意味着都可以在运行时可以被 JVM 读取和使用。

Java Generics Type Erasure byte code

2.2 泛型保留的条件

泛型类在编译后其泛型信息会被擦除为 Object，泛型会被转移到实际使用了泛型的变量或方法中（如果没有则彻底丢失存根），所以编译后的类已经丢失了自己声明的泛型信息，但可通过 Class#getGenericSuperClass() 获取父类（包括匿名类，本质上也是一种父类）携带的泛型信息。接口可以理解为一种特殊的父类，可通过Class#getGenericInterfaces() 获取接口上的泛型信息。

符号泛型（泛型仅以符号形式存在，没有被具体类型显式定义）在编译时被擦除；
参数泛型（泛型被具体类型显式定义和替换）将被保留至实例化对象的类信息中；

假设定义以下类关系：

class Base<T> implements IBase<T> { ... }

class Bypass<K> extends Base<K> { ... }

class Child<E> extends Base<String> { ... }

（1）符号泛型：

1	Bypass<Short> bypass_a = new Bypass<>();

Bypass 上的泛型 Short 本身并没有「显式」地被传递至父类 Base，传递的仅是泛型符号 K，因此 bypass_a 被擦除自身泛型后将丢失 K 对应的实际类型。

（2）参数泛型：

1	Child<Integer> child = new Child();

Child 在继承 Base 时「显式」地为 Base 的泛型 T 指定了 String 类型，因此实例对象 child 将丢失 Child 自身声明的泛型 Integer，但会保留父类 Base 的泛型 String。

（3）匿名内部类：

1
2
3

Bypass<Float> bypass_b;
bypass_b = new Bypass() { ... };        // ❌ 编译报错
bypass_b = new Bypass<Float>() { ... }; // ✅ 编译通过

匿名内部类也是一种特殊的子类实现，因此等同于为泛型指定了实际类型。创建匿名内部类时，编译器会要求「显式」声明泛型信息（即等号右侧的泛型类型不能省略），此时的 bypass_b 是 Bypass 的匿名子类对象，因此此处的 Bypass 实际上是父类，并且编译器强制要求将泛型 Float 传递给 Bypass，因此 bypass_b 保留了父类 Bypass 上的泛型信息。

（4）泛型嵌套：

1 2	List<Base<Double>> list_a = new ArrayList<>(); List<Base<Double>> list_b = new List<Base<Double>>() {...};

嵌套泛型可以逐级拆解，每一级均同样遵循以上规则：

list_a 没有「显式」地将泛型传递至 ArrayList，因此 list_a 丢失了泛型信息；
list_b 是匿名内部类的实例对象，因此保留了所有泛型信息，包括 Base 和其嵌套的 Double。需要注意：
- list_b.getClass() 才是真正包含了所有泛型信息的类对象；
- 如果通过 list_b 获取到实际的泛型类型 Base，然后再直接对 Base 获取泛型，则无法获取到嵌套的泛型 Double，因为此时获取到的 Base 类不遵循「参数泛型」的规则。

3. 解析泛型

将泛型解析为实际类型是一个很常见的需求，例如事件监听：

public <T extends BaseEvent> void addListener(Class<T> clz, IListener<T> listener) {
    ......
}

public <T extends BaseEvent> void removeListener(Class<T> clz, IListener<T> listener) {
    ......
}

IListener<T> 需要和泛型 T 的事件绑定注册，但由于 T 不是真实的类型，因此无法使用 T.class 或 obj instanceof T 之类的方法，导致必须另外传一个 Class<T> 用于标定 T 的实际类型，这个写法很不优雅。

3.1 解析单个泛型

从对象中解析出泛型的实际类型，已经有通用的方案：

public Class<?> getGenericClass(Object obj) {
    Type superClassType = obj.getClass().getGenericSuperclass();

    Type genericType = null;
    if (superClassType instanceof ParameterizedType) {
        genericType = ((ParameterizedType) superClassType).getActualTypeArguments()[0];
    }

    if (genericType != null) {
        return (Class<?>) genericType;
    }
    return null;
}

但是该方案只能解析类似于 IListener<TheEvent> 这种最基础的泛型形式。

3.2 解析嵌套泛型

假设此时有以下两个 Listener 类型：

1 2	IListener<Content<Integer>> listener_a; IListener<Content<String>> listener_b;

当然实际业务中这不是主流使用场景，或者也可以通过 Wrapper 来规避，但本文重在探讨如何解析。

使用上文的解析方式只能解析出外层泛型类型 Content

Java泛型

Java泛型

1. 泛型的基本定义

1.1 上界约束和下届约束

1.2 并列约束

1.3 上界和下届嵌套约束

2. 运行时泛型

2.1 泛型擦除的规则

2.2 泛型保留的条件

3. 解析泛型

3.1 解析单个泛型

3.2 解析嵌套泛型

3.3 解析匿名类泛型

4. 通用泛型解析工具