【Java】泛型在 Java 中是怎样实现的?

先说结论 , Java 的泛型是伪泛型 , 在运行期间不存在泛型的概念 , 泛型在 Java 中是 编译检查 + 运行强转 实现的

泛型是指 允许在定义类 , 接口和方法时使用的类型参数 , 使得代码可以在不指定具体类型的情况下操作不同的数据类型 , 从而实现类型安全的代码复用 的语言机制 .

集合框架和内置函数式接口等内容都使用了泛型 .

通配符

<> 是泛型类型参数列表 , 可以包含多个参数 .

? 是通配符 , 可以配合 extends 和 super 关键字表示不明类型的上下限 .

<T> 通常用于泛型类源码声明 , T 作为占位符表示实例化的泛型参数 .

<?> 可以用在实例化上 , 此时泛型参数不明确 , 通常不能写入变量 .

不能 Box<?> box = new Box<?>(); , 但可以声明 Box<?> box = new Box<String>(); , 这样只能安全读取 Object 元素 , 不能写入任何非 null 元素 . new 语句右侧的 <> 叫做钻石操作符 , 钻石操作符的作用是让编译器根据左侧泛型参数推断右侧的实际参数 . 如果左侧是 <?> 参数不明 , 那么右侧则必须显式指定泛型参数 .

生产消费原则 ( PECS )

Producer Extends, Consumer Super .

• 生产者使用 <? extends T> 上界通配符 : 只能读 , 不能写 .

List<? extends Number> list = new ArrayList<Integer>();

list 是 Number 或其子类类型的集合 , 可以安全地将集合元素当作 Number 读取 , 因为确定是 Number 及其子类 .

只能确定泛型参数的上界 , 实际类型不确定 , 所以不允许写入 .

• 消费者使用 <? super T> 下界通配符 : 只能写 , 读不明白 .

List<? super Integer> list = new ArrayList<Number>();

list 是 Integer 或其父类类型的集合 , 因为 Java 向下转型是安全的 , 所以可以将 Integer 或其子类放入集合 , 因为集合元素类型一定是 Integer 或其父类 .

因为只能确定泛型参数的下界 , 所以编译期将 ? super Integer 擦除成 Object , 且读取时只能保证元素是 Object .

类型擦除

编译器将泛型类型替换成原始类型以保证向后兼容性 ( 兼容不支持泛型的旧版本 Java ) , 向类 , 接口或方法传递的泛型类型参数 类名<类型> 只在编译期存在 , 编译后泛型信息会被擦除 , 生成的字节码文件不包含具体的泛型类型 .

类型参数被擦除为它的第一个边界类型 : 如果是 T , 则擦除为祖宗类 Object , 如果是 T extends 父类 , 则擦除为父类 . 集合中 List<T> 擦除为 List .

List<String> list = new ArrayList<>();
List.add("Hello");
String s = List.get(0);
		👇
(在字节码中类似于)
List list = new ArrayList();
list.add("Hello");
String s = (String)list.get(0);

instanceof 关键字用于判断对象是否是某个类或其子类的实例 , a instanceof b 作为语句返回布氏值 .

Tips : 基本数据类型不具备继承体系 , 也不是对象 , 不能被泛型的擦除机制处理 , 所以泛型必须使用基本数据类型的包装类 .

类型擦除会导致

1. 运行时不知道泛型类型 .

   List<String> a = new ArrayList<>();
   List<Integer> b = new ArrayList<>();
   a.equals(b); // true
   a.getClass() == b.getClass() // true
   

2. 泛型不能用于静态字段 . 因为不同泛型实例在运行时本质上是同一个类 , 它们会共享同一个静态字段 , 如果这个静态字段是泛型参数 T 的 , 那么就会出现实例类型冲突 ( 静态字段只有一份 , 不同实例期望的类型却不同 ) .

3. 不能用 instanceof 关键字判别泛型类 . 因为不同的泛型类在运行时被擦除为同一个类 , 此时再使用 instanceof 关键字没有任何意义 .

编译期类型检查

仍然以集合为例 , 编译期完成的任务有 :

1. 检测传入泛型集合的字段类型是否正确 .

   List<String> list = new ArrayList<>();
   list.add("Hello");
   list.add(123); // 编译错误, int 不是 String
   

2. 取出泛型集合对象时是否能正确映射 .

   int get = list.get(0); // 编译错误, 不能把 String 当作 int
   

类型检查本质是继承链的转换关系 , 前面提到的向上转型机制在通配符 , 类型擦除和类型检查等特性上得到充分实现 .