TA的每日心情 | 开心
2021-3-12 23:18 |
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签到天数: 2 天 [LV.1]初来乍到
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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。Brian Goetz 分析了束缚第一次使用泛型的用户的常见陷阱。
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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。
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泛型不是协变的
[/blockquote] 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，如果扩展了（事实也是如此），那么不仅是，而且也是，在要求的地方完全可以传递或者赋予。（更正式地说，如果是的超类型，那么也是的超类型）。您也许认为这一原理同样适用于泛型类型 ――是的超类型，那么可以在需要的地方传递。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。如果能够将赋给。那么下面的代码就允许将非的内容放入：
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
List<Number> ln = li; // illegal
ln.add(new Float(3.1415));
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因为是，所以向其添加似乎是完全合法的。但是如果是的别名，那么这就破坏了蕴含在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（是不合法的），除非类型参数是一个未绑定的通配符（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);
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最后一行将抛出，因为这样将把填入本应是的位置。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）。
构造延迟 因为可以擦除功能，所以和是同一个类，编译器在编译时只生成一个类（和 C++ 不同）。因此，在编译类时，编译器不知道所表示的类型，所以它就不能像知道类所表示的具体类型那样处理类定义中的类型参数（中的）。 因为运行时不能区分和（运行时都是），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：
class Foo<T> {
public void doSomething(T param) { ... }
}
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假设方法希望复制输入的参数，会怎么样呢？没有多少选择。您可能希望按以下方式实现：
public void doSomething(T param) {
T copy = new T(param); // illegal
}
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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“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。 怎么样呢？假设在的定义中，扩展了：
class Foo<T extends Cloneable> {
public void doSomething(T param) {
T copy = (T) param.clone(); // illegal
}
}
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不幸的是，仍然不能调用。为什么呢？因为在中是保护访问的，调用必须通过将改写公共访问的类引用来完成。但是重新声明为 public 并不知道，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？假设要创建类型为的参数的保护性副本。您知道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，最好使用代替原始类型的，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
}
}
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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);
}
}
[/code]
这种构造不那么直观，但它是类型安全的，而且可以像那样工作。 构造数组 如何实现？假设类管理一个数组，您可能希望用的构造函数创建一个数组：
class ArrayList<V> {
private V[] backingArray;
public ArrayList() {
backingArray = new V[DEFAULT_SIZE]; // illegal
}
}
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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。编译器不知道到底表示什么类型，因此不能实例化数组。 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。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];
}
}
[/code]
为何这些代码在访问时没有产生呢？无论如何，都不能将数组赋给数组。因为泛型是通过擦除实现的，的类型实际上就是，因为代替了。这意味着：实际上这个类期望是一个数组，但是编译器要进行额外的类型检查，以确保它包含类型的对象。所以这种方法很奏效，但是非常别扭，因此不值得效仿。 还有一种方法就是声明为数组，并在使用它的各个地方强制将它转化为。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（比如不应逃避的实现）。 其他方法 最好的办法是向构造函数传递类文字（），这样，该实现就能在运行时知道的值。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);
}
}
[/code]
但是等一等！仍然有不妥的地方，调用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。的签名是：
public static Object newInstance(Class<?> componentType, int length)
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而不是类型安全的：
public static<T> T[] newInstance(Class<T> componentType, int length)
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为何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，可以使用适当的包装器类中的字段调用（对于，可以传递作为类文字）。用参数而不是泛化，对于引用类型有更好的类型安全，但是就不能使用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。
泛化已有的类 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[])
interface Collection<E> {
public T[] toArray(Class<T super E> elementClass);
}
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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、和的签名。您可能认为和的签名应该是：
interface Collection<E> {
public boolean remove(E e); // not really
public void removeAll(Collection<? extends E> c); // not really
}
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但实际上却是：
interface Collection<E> {
public boolean remove(Object o);
public void removeAll(Collection<?> c);
}
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为什么呢？答案同样是因为向后兼容性。的接口表明“如果包含在中，则删除它，否则什么也不做。”如果是一个泛型集合，那么不一定与的类型参数兼容。如果被泛化为只有类型兼容时才能调用（），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);
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如果上述片段用直观的方法泛化（将设为，设为），如果的签名要求其参数为而不是 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、、和。 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。
擦除的实现 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，和是同一个类（虽然是不同的类型但都是的子类型，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和，因为事实上两者都在同一个接口中，指定同一个方法。声明类以便与与比较似乎是明智的，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
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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; }
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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。方法实际上根本不作任何转换，直接被替换为，与期望的相反，传入的对象被强制转换为。 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（）并将它们保存起来，以便通过反射创建实例。
结束语 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）。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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发表于 2014-10-29 23:56:33