Java泛型学习笔记--Java泛型和C#泛型比较学习（一）

　　总结Java的泛型前，先简单的介绍下C#的泛型，通过对比，比较学习Java泛型的目的和设计意图。C#泛型是C#语言2.0和通用语言运行时（CLR）同时支持的一个特性（这一点是导致C#泛型和Java泛型区别的最大原因，后面会介绍）。C#泛型在.NET CLR支持为.NET框架引入参数化变量支持。C#泛型更类似C++模板，可以理解，C#泛型实际上可以理解为类的模板类。我们通过代码实例来看C# 2.0泛型解决的问题，首先，我们通过一个没有泛型的迭代器的代码示例说起，代码实现如下：

        interface IEnumerable
    {
        void Add(Object x);
        IEnumerator GetEnumerator();
    }
    interface IEnumerator
    {
        Object Next();
        bool HasNext();
    }
    class NoSuchElementException : ArgumentException { }
    class LinkedList : IEnumerable
    {
        private class Node
        {
            public Object Data { get; set; }
            public Node Next { get; set; }
            public Node(Object data)
            {
                this.Data = data;
            }
        }

        class DataEnumerator : IEnumerator
        {
            public DataEnumerator(Node ptr)
            {
                this.head = ptr;
            }
            private Node head;
            public object Next()
            {
                if (head != null)
                {
                    Object data = head.Data;
                    head = head.Next;
                    return data;
                }
                else
                {
                    throw new NoSuchElementException();
                }
            }
            public bool HasNext()
            {
                return head != null;
            }
        }
        private Node head = null, tail = null;
        public void Add(Object data)
        {
            if (head == null)
            {
                head = new Node(data);
                tail = head;
            }
            else
            {
                tail.Next = new Node(data);
                tail = tail.Next;
            }
        }
        public IEnumerator GetEnumerator()
        {
            return new DataEnumerator(head);
        }
    }
    

　　通过以上C#代码对迭代器的实现，我们发现代码至少存在以下几个问题：

1. 如果我不想在对LinkedList集合对象存储的时候发生装箱拆箱的性能损失，只是对特点类型的元素集合进行操作。如：我们LinkedList存储了100w的整数，用LinkedList存储的时候，每次都把整数 转出 Object，相当于在堆内存中对数字进行了100w次打包，其中的性能损失我们不能不考虑。我们考虑性能的话，我们可以修改LinkedList的实现，将内嵌类Node的Data数据类型改为int类型，修改后的实现如下：　

       interface IEnumerable
       {
           void Add(int x);
           IEnumerator GetEnumerator();
       }
   
       interface IEnumerator
       {
           int Next();
           bool HasNext();
       }
       class NoSuchElementException : ArgumentException { }
       class LinkedList : IEnumerable
       {
           private class Node
           {
               public int Data { get; set; }
               public Node Next { get; set; }
               public Node(int data)
               {
                   this.Data = data;
               }
           }
           class DataEnumerator : IEnumerator
           {
               public DataEnumerator(Node ptr)
               {
                   this.head = ptr;
               }
               private Node head;
               public int Next()
               {
                   if (head != null)
                   {
                       int data = head.Data;
                       head = head.Next;
                       return data;
                   }
                   else
                   {
                       throw new NoSuchElementException();
                   }
               }
   
               public bool HasNext()
               {
                   return head != null;
               }
           }
           private Node head = null, tail = null;
           public void Add(int data)
           {
               if (head == null)
               {
                   head = new Node(data);
                   tail = head;
               }
               else
               {
                   tail.Next = new Node(data);
                   tail = tail.Next;
               }
           }
           public IEnumerator GetEnumerator()
           {
               return new DataEnumerator(head);
           }
       }
       

   用LinkedList存储整数虽然没有问题了，但是下一次我们需要用LinkedList存储100w的字符的话，我们还要修改LinkedList的实现。分析我们的代码实现我们会发现，当我们存储不同的数据结构的时候，我们大部分代码都是相同的，只是LinkedList存储的数据类型不一样。　　

2. LinkedList linkedList = new LinkedList（）,linkedList集合存储的都是Object类型的元素，对集合进行操作的时候，如果对集合存储的代码调用时元素类型信息无法直接确定，无法判断集合存储的具体类型。例如，我们有如下代码的调用：

   class Program
       {
           static void Main(string[] args)
           {
               LinkedList list = new LinkedList();
               list.Add(new A());
               list.Add(new B());
   
               IEnumerator e = list.GetEnumerator();
               while (e.HasNext())
               {
                   B b = e.Next() as B; //此处类型转换，当转换不成功时候，捕获异常，返回类型为空
                   if(b != null)
                     b.MethodB();
               }
           }
       }
       class A
       {
           public void MethodA()
           {
             Console.WriteLine("Invoke MethodA");
           }
       }
       class  B:A
       {
           public void MethodB()
           {
                Console.WriteLine("Invoke MethodA");
           }
       }
                       

   以上代码在调用 B b = e.Next() as B 语句的时候，此处类型转换，当转换不成功时候，捕获异常，返回类型为空。

3. LinkedList集合对象在存储元素的时候，对元素进行隐式类型转换（子类转换成Object类型）或者（值类型发生装箱操作）。

　　下面我们通过C#2.0开始支持的泛型来解决了以上的问题，泛型化修改后的代码如下：

    interface IEnumerable<T>
    {
        void Add(T x);
        IEnumerator<T> GetEnumerator();
    }
    interface IEnumerator<T>
    {
        T Next();
        bool HasNext();
    }
    class NoSuchElementException<T> : ArgumentException { }
    class LinkedList<T> : IEnumerable<T>
    {
        private class Node
        {
            public T Data { get; private set; }
            public Node Next { get; set; }
            public Node(T data)
            {
                this.Data = data;
            }
        }
        class DataEnumerator : IEnumerator<T>
        {
            public DataEnumerator(Node ptr)
            {
                this.head = ptr;
            }

            private Node head;
            public T Next()
            {
                if (head != null)
                {
                    T data = head.Data;
                    head = head.Next;
                    return data;
                }
                else
                {
                    throw new NoSuchElementException<T>();
                }
            }
            public bool HasNext()
            {
                return head != null;
            }
        }

        private Node head = null, tail = null;
        public void Add(T data)
        {
            if (head == null)
            {
                head = new Node(data);
                tail = head;
            }
            else
            {
                tail.Next = new Node(data);
                tail = tail.Next;
            }
        }
        public IEnumerator<T> GetEnumerator()
        {
            return new DataEnumerator(head);
        }
    }
    

通过以上对C#泛型分析，简单总结下C#引入，在我看来至少解决了三个问题：

1. 封装和复用通用代码逻辑；
2. 增强了编译期类型检查，减少了运行时发生InvalidCastException异常的几率；
3. 解决集合操作时候的装箱和拆箱的效率问题。

　　简答介绍了C#泛型引入解决的问题后，下面我们开始介绍今天的主角—Java泛型。我们会对比以上三个问题来对比分析Java引入泛型所解决的问题。下面同样来一段Java实现的迭代器的实现的代码，如下：

      interface Collection {
              public void add (Object x);
           public Iterator iterator ();
       } 

       interface Iterator {
              public Object next ();
           public boolean hasNext ();
       } 

       class NoSuchElementException extends RuntimeException {} 

       class LinkedList implements Collection { 

           protected class Node {
                  Object elt;
               Node next = null;
               Node (Object elt) { this.elt = elt; }
          } 

           protected Node head = null, tail = null; 

           public LinkedList () {} 

           public void add (Object elt) {
               if (head == null) { head = new Node(elt); tail = head; }
               else { tail.next = new Node(elt); tail = tail.next; }
           } 

           public Iterator iterator () { 

               return new Iterator () {
                   protected Node ptr = head;
                   public boolean hasNext () { return ptr != null; }
                   public Object next () {
                       if (ptr != null) {
                          Object elt = ptr.elt; ptr = ptr.next; return elt;
                       } else throw new NoSuchElementException ();
                   }
              };
           }
       }

对比C#和Java的迭代器实现，不得不说Java的迭代器实现看起来更优雅。Java对内部类的支持，让Java在类型实现上更灵活多样。下面我们来看看Java泛型迭代器的实现如下：

interface Collection<A> {
           public void add(A x);
           public Iterator<A> iterator();
       } 

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

       class NoSuchElementException extends RuntimeException {} 

       class LinkedList<A> implements Collection<A> {
           protected class Node {
               A elt;
               Node next = null;
               Node (A elt) { this.elt = elt; }
           } 

          protected Node head = null, tail = null; 

           public LinkedList () {} 

           public void add (A elt) {
               if (head == null) { head = new Node(elt); tail = head; }
               else { tail.next = new Node(elt); tail = tail.next; }
           } 

           public Iterator<A> iterator () {
               return new Iterator<A> () {
                   protected Node ptr = head;
                   public boolean hasNext () { return ptr != null; }
                   public A next () {
                       if (ptr != null) {
                           A elt = ptr.elt; ptr = ptr.next; return elt;
                      } else throw new NoSuchElementException ();
                   }
               };
            }
       }

通过以上的代码的实现，我们可能觉得Java泛型和C#都能很好解决以上三个问题。看过下面的一段代码之后，可能你对Java泛型的会有不同的认识，代码如下：

public class Program {
    public static void main(String[] args) {
Class<?> c1 = new ArrayList<String>().getClass();
        Class<?> c2 = new ArrayList<Integer>().getClass();
        if(c1 == c2)
        {
            System.out.println("类型相同");
        }
    }
}
//类型相同

按C#对泛型的理解，泛型实质就是类的模板。我们认为很容易知道类ArrayList<String>和ArrayList<Integer>应该是不同的类型。但是上面的代码输出结果，Java运行结果判断ArrayList<String>和ArrayList<Integer>是相同的类型。

　　我们马上会有疑问，在运行状态，我们的泛型参数类型信息哪去了？我们的泛型怎么了?对java泛型有一定了解的同学马上就知道，在运行状态，我们无法获取泛型的参数信息。Java的泛型不是真正的泛型，只是编译器的泛型，不是运行时的泛型。关于为什么会这样设计，我们就需要去追溯java的历史。

　Java泛型历史

　Java泛型是Java 1.5开始加入的语言特性，在Java 1.5之前很长一段时间，Java程序已经在我们身边的个人设备中运行。为了支持泛型出现以前的运行在Java开发的软件中的各种库，Java语言的设计师采取一种折中的方案，Java泛型不仅能向后兼容，而且保证现有的代码和类文件也合法，仍然保持原来的意思。

　Java泛型实现机制

　Java泛型为了向前兼容，采取运行期类型擦出泛型参数的方式来实现。这就意味着，你在使用泛型的时候，任何具体的类型都已经被擦除。因此，以上的ArrayList<String>和ArrayList<Integer>实际上都恢复到他们的原生类型List，是同一种类型。正确理解Java泛型的类型擦除，能帮我们理解Java泛型中的很多奇怪特性。今天关于泛型就先写到这里，下一节开始介绍Java泛型的类型的擦除机制引起的很多奇怪泛型特性、Java泛型设计做出的一些弥补。