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JDK1.5新特性之Generics

rogertu

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于 2008-06-05 00:04

摘自My Document: http://docs.google.com/Doc?id=dxtrs83_5dk7cs3gz

1 直观印象
在JDK1.5之前的版本中，对于一个Collection类库中的容器类实例，可将任意类型对象加入其中（都被当作Object实例看待）；从容器中取出的对象也只是一个Object实例，需要将其强制转型为期待的类型，这种强制转型的运行时正确性由程序员自行保证。
例如以下代码片断：

List intList = new ArrayList(); //创建一个List，准备存放一些Integer实例
intList.add(new Integer(0));
intList.add(“1”);//不小心加入了一个字符串;但在编译和运行时都不报错,只有仔细的代码Review能揪出
Integer i0 = (Integer)intList.get(0);
Integer i1 = (Integer)intList.get(1); //编译通过，直到运行时才抛ClassCastException

而在JDK1.5中，可以创建一个明确只能存放某种特定类型对象的容器类实例，例如如下代码：

List<Integer> intList = new ArrayList<Integer>(); //intList为存放Integer实例的List
intList.add(new Integer(0));
Integer i0 = intList.get(0); //无需(Integer)强制转型；List<Integer>的get()返回的就是Integer
intList.add(“1”); //编译不通过，因为List<Integer>的add()方法只接受Integer类型的参数

“List<Integer> intList = new ArrayList<Integer>();”就是最简单且最常用的Generic应用；显然，运用Generic后的代码更具可读性和健壮性。

2 Generic类
JDK1.5中Collection类库的大部分类都被改进为Generic类。以下是从JDK1.5源码中截取的关于List和Iterator接口定义的代码片断：
public interface List<E> {
void add(E x);
Iterator<E> iterator;
}

public interface Iterator<E> {
E next();
boolean hasNext();
}

以List为例，“public interface List<E>”中的E是List的类型参数，用户在使用List时可为类型参数指定一个确定类型值（如List<Integer>）。类型值为Java编译器所用，确保用户代码类型安全。例如，编译器知道List<Integer>的add()方法只接受Integer类型的参数，因此如果你在代码中将一个字符串传入add()将导致编译错误；编译器知道Iterator<Integer>的next()方法返回一个Integer的实例，你在代码中也就无需对返回结果进行(Integer)强制转型。代码检验通过（语法正确且不会导致运行时类型安全问题）后，编译器对现有代码有一个转换工作。简单的说，就是去除代码中的类型值信息，在必要处添加转型代码。例如如下代码：

public String demo() {
List<String> strList = new ArrayList<String>();
strList.add(“Hello!”);
return strList.get(0);
}

编译器在检验通过后，将其转换为：
public String demo() {
List strList = new ArrayList(); //去除类型值<String>
strList.add(“Hello!”);
return (String)strList.get(0); //添加转型动作代码(String)
}
可见，类型值信息只为Java编译器在编译时所用，确保代码无类型安全问题；验证通过之后，即被去除。对于JVM而言，只有如JDK1.5之前版本一样的List，并无List<Integer>和List<String>之分。这也就是Java Generics实现中关键技术Erasure的基本思想。以下代码在控制台输出的就是“true”。

List<String> strList = new ArrayList<String>();
List<Integer> intList = new ArrayList<Integer>();
System.out.println(strList.getClass() == intList.getClass());

可以将Generic理解为：为提高Java代码类型安全性（在编译时确保，而非等到运行时才暴露），Java代码与Java编译器之间新增的一种约定规范。Java编译器在编译结果*.class文件中供JVM读取的部分里没有保留Generic的任何信息；JVM看不到Generic的存在。

对于Generic类（设为GenericClass）的类型参数（设为T）：

1) 由于对于JVM而言，只有一个GenericClass类，所以GenericClass类的静态字段和静态方法的定义中不能使用T。T只能出现在GenericClass的非静态字段或非静态方法中。也即T是与GenericClass的实例相关的信息；

2) T只在编译时被编译器理解，因此也就不能与运行时被JVM理解并执行其代表的操作的操作符（如instanceof 和new）联用。

class GenericClass<T> {
T t1;
public void method1(T t){
t1 = new T(); //编译错误，T不能与new联用
if (t1 instanceof T) {}; //编译错误，T不能与instanceof联用
};

static T t2; //编译错误，静态字段不能使用T
public static void method2(T t){};//编译错误，静态方法不能使用T
}

Generic类可以有多个类型参数，且类型参数命名一般为大写单字符。例如Collection类库中的Map声明为：
public interface Map<K,V> {
……;
}

3 Generic类和原（Raw）类
对每一个Generic类，用户在使用时可以不指定类型参数。例如，对于List<E>，用户可以以“List<String> list;”方式使用，也可以以“List list;”方式使用。“List<String>”被称为参数化的Generic类（类型参数被赋值），而“List”称为原类。原类List的使用方式和效果与JDK1.5之前版本List的一样；使用原类也就失去了Generic带来的可读性和健壮性的增强。

允许原类使用方式的存在显然是为了代码的向前兼容：即JDK1.5之前的代码在JDK1.5下仍然编译通过且正常运行。

当你在JDK1.5中使用原类并向原类实例中添加对象时，编译器会产生警告，因为它无法保证待添加对象类型的正确性。编译通过是为了保证代码向前兼容，产生警告是提醒潜在的风险。

public void test () {
List list = new ArrayList();
list.add("tt");//JDK1.5编译器对此行产生警告
}

4 Generic类和子类
List<String> ls = new ArrayList<String>();
List<Object> lo = ls; //编译错误：Type mismatch: cannot convert from List<Dummy> to List<Object>
以上第二行代码导致的编译错误“Type mismatch: cannot convert from List<Dummy> to List<Object>”是不是有点出人意料？直观上看，就像String是Object的子类，因此‘Object o = “String”’合法一样，存放String的List是存放Object的List的子类，因此第二行应该是合法的。可以反过来分析，如果第二行是合法的，那么如下会导致运行时异常的代码也是合法的：
lo.add(new Object); //会导致在ls中添加了非String对象
String s = ls.get(0); //ls.get(0)返回的实际上只是一个Object实例，会导致ClassCastException
编译器显然不允许此种情形发生，因此不允许“List<Object> lo = ls”编译通过。

因此，直观上的“存放String的List是存放Object的List的子类”是错误的。更一般的说，设Foo是Bar的子类，G是Generic类型声明，G<Foo>不是G<Bar>的子类。

5 参数化的Generic类和数组
我们知道，如果T是S的子类，则T[]也是S[]的子类。因此，如下代码编译通过，只在运行时于第三行代码处抛ArrayStoreException。
String[] words = new String[10];
Object[] objects = words;
Objects[0] = new Object(); //编译通过，但运行时会抛ArrayStoreException

再分析如下代码：
List<String>[] wordLists = new ArrayList<String>[10];
ArrayList<Integer> integerList = new ArrayList<Integer>();
integerList.add(123);
Object[] objects = wordLists;
objects[0] = integerList;//运行时不出错，因为运行时ArrayList<String>和ArrayList<Integer> //都为ArrayList
String s = wordlists[0].get(0); //编译通过，运行时抛ClassCastException
就出现了“正确使用了Generic，但在运行时仍然出现ClassCastException”的情形。显然Java编译器不允许此种情形的发生。事实上，以上代码的第一行“List<String>[] wordLists = new ArrayList<String>[10];”就是编译不通过的，也就不存在接下来的代码。

更一般地说，不能创建参数化的Generic类的数组。

6 类型参数通配符?
由“Generic类和子类”节知，Collection<Object>不是存放其它类型对象的Collection（例如Collection<String>）的基类（抽象），那么如何表示任一种参数化的Collection的呢？使用“Collection<?>”。“？”即代表任一类型参数值。例如，我们可以很容易写出下面的通用函数printCollection()：
public static void printCollection(Collection<?> c) {
//如此遍历Collection的简洁方式也是JDK1.5新引入的
for (Object o : c) {
System.out.println Clock

;
}
}

这样，既可以将Collection<String>的实例，也可以将Collection<Integer>的实例作为参数调用printCollection()方法。
然而，要注意一点，你不能往Collection<?>容器实例中加入任何非null元素，例如如下代码的第三行编译不通过：

public static void testAdd(Collection<?> c) {
c.add(null); //编译通过
c.add(“test”); //编译错误
}

很好理解：c中要存放的对象的具体类型不确定，编译器无法验证待添加对象类型的正确性，因此不能加入对象实例；而null可以看作是任一个类的实例，因而允许加入。

另外，尽管c中要存放的对象的类型不确定，但我们知道任何类都是Object子类，因此从c中取出的对象都统一作为Object实例。

更进一步，如果BaseClass代表某个可被继承的类的类名，那么Collection<? extends BaseClass>代表类型参数值为BaseClass或BaseClass某个子类的任一参数化Collection。对于Collection<? extends BaseClass>的实例c，因为c中要存放的对象具体类型不确定，不能往其加入非null对象，但从c中取出的对象都统一作为BaseClass实例。事实上，你可以把Collection<?>看作Collection<? extends Object>的简洁形式。

另一种情形：如果SubClass代表任一个类的类名，那么Collection<? super SubClass>代表类型参数值为SubClass或SubClass某个祖先类的任一参数化Collection。对于Collection<? super SubClass>的实例c，你可以将SubClass实例加入其中，但从中取出的对象都是Object实例。

7 Generic方法
我们可以定义Generic类，同样可以定义Generic方法，即将方法的一个或多个参数的类型参数化，如代码：
public static <T> void fromArrayToCollection(T[] a, Collection<T> c) {
for (T o : a) {
c.add Clock

; //合法。注意与Collection<?>的区别
}

}

我们可以以如下方式调用fromArrayToCollection()：

Object[] oa = new Object[100];
Collection<Object> co = new ArrayList<Object>();
fromArrayToCollection(oa, co); //此时，T即为Object
String[] sa = new String[100];
Collection<String> cs = new ArrayList<String>();
fromArrayToCollection(sa, cs); //此时，T即为String
fromArrayToCollection(sa, co); //此时，T即为Object
Integer[] ia = new Integer[100];
Float[] fa = new Float[100];
Number[] na = new Number[100];
Collection<Number> cn = new ArrayList<Number>();
fromArrayToCollection(ia, cn); //此时，T即为Number
fromArrayToCollection(fa, cn); //此时，T即为Number
fromArrayToCollection(na, cn); //此时，T即为Number
fromArrayToCollection(na, co); //此时，T即为Object
fromArrayToCollection(na, cs); //编译错误

通过以上代码可以看出，我们在调用fromArrayToCollection()时，无需明确指定T为何种类型（与Generic类的使用方式不同），而是像调用一般method一样，直接提供参数值，编译器会根据提供的参数值自动为T赋类型值或提示编译错误（参数值不当）。

考虑如下函数sum()

public static long sum(Collection<? extends Number> numbers) {
long sum = 0;
for (Number n : numbers) {
sum += n.longValue();
}
return sum;
}
我们也可以将其以Generic方法实现：
public static <T extends Number> long sum(Collection<T> numbers) {
long sum = 0;
for (Number n : numbers) {
sum += n.longValue();
}
return sum;
}

那么对于一个方法，当要求参数类型可变时，是采用Generic方法，还是采用类型参数通配符方式呢？一般而言，如果参数类型间或参数类型与返回值类型间存在某种依赖关系，则采取Generic方法，否则采取类型参数通配符方式。

这一原则在Collection类库的源代码中得到了很好的体现，例如Collection接口的containsAll()、addAll()和toArray()方法：
interface Collection<E> {
public boolean containsAll(Collecion<?> c); //参数间类型以及参数与返回
//值间类型无依赖
<T> T[] toArray(T[] a); //参数a与返回值都是相同类的数组，有依赖
}

当然，根据需要，二者也可以结合使用，例如Collections中的copy()方法：
class Collections {
public static <T> void copy(List<T> dest, List<? extends T> src) {
…….
}
}

摘自My Document: http://docs.google.com/Doc?id=dxtrs83_5dk7cs3gz

rogertu edited on 2008-06-05 08:01

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