Java 泛型 泛型的约束与局限性

Java 泛型 泛型的约束与局限性

@author ixenos

不能用基本类型实例化类型参数

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不能用类型参数代替基本类型：例如，没有Pair<double>,只有Pair<Double>，其原因是类型擦除。擦除之后，Pair类含有Object类型的域，而Object不能存储double值。这体现了Java语言中基本类型的独立状态。

运行时类型查询只适用于原始类型(raw type)

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运行时：通常指在Classloader装载之后，JVM执行之时

类型查询：instanceof、getClass、强制类型转换

原始类型：即（raw type）,泛型类型经编译器类型擦除后是Object或泛型参数的限定类型（例如Pair<T extends Comparable>，Comparable就是T的限定类型，转化后泛型的原始类型就是Comparable，所以Pair类不带泛型是Pair<Comparable>），即Pair类含有Comparable类型的域

JVM中没有泛型

eg:

if(a instanceof Pair<String>) //ERROR,仅测试了a是否是任意类型的一个Pair，会看到编译器ERROR警告

if(a instanceof Pair<T>) //ERROR

Pair<String> p = (Pair<String>) a;//WARNING,仅测试a是否是一个Pair

Pair<String> stringPair = ...;
Pair<Employee> employeePair = ...;
if(stringPair.getClass() == employeePair.getClass())  //会得到true，因为两次调用getClass都将返回Pair.class

不能创建参数化类型的数组(泛型数组)

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参数化类型的数组：指类型带有泛型参数的数组，也即泛型数组，如Pair<T>[] 、 T[]

　　不能实例化参数化类型的数组，例如:

Pair<String> table = new Pair<String>[10]; //ERROR

　　在这里我们假设可以实例化，那么经编译器类型擦除后，table的类型是Pair[]，我们再让它协变为Object[]：

Object[] objArray = table;

　　而一般来说，数组会记住他的元素类型Pair，我们如果试图存储其他类型的元素，就会抛出异常（数组存储检查），例如：

objArray[0] = "Hello"; //ERROR--component type is Pair

　　但是，对于泛型类型Pair<String>，类型擦除会使这种不同类检查机制无效，这就是不能实例化泛型数组的原因！

objArray[0] = new Pair<Employee>();  //如果泛型机制允许我们实例化数组，那么这一步就没理由出错了！而这违背了我们的初衷（限定类型）

• 数组存储只会检查擦除后的类型，又因为Java语言设计数组可以协变，所以可以通过编译
• 能够通过数组存储检查，不过仍会导致一个类型错误，故不允许创建参数化类型的数组
• 注意，声明类型为Pair<String>[]的变量是合法的，只是不能创建这些实例（我们应该直接用new Pair<String>[10]{......}来初始化这个变量）

泛型数组的间接实现：

通过泛型数组包装器，如ArrayList类，维护一个Object数组，然后通过进出口方法set、get来限定类型和强制转换数组类型，从而间接实现泛型数组，

例如：ArrayList: ArrayList<Pair<T>>、ArrayList<T>

不能实例化类型变量T

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• 即不能使用new T(..) , new T[..] 或 T.class 这样的表达式中的类型变量
  • 例如： public Pair() { first = new T(); } //ERROR! 类型擦除将T改变成Object，调用非本意的new Object()
• 不能使用new T(..) 
  • 但是，可通过反射调用Class.newInstance方法来构造泛型对象（要注意表达式T.class是非法的）

  • public static <T> Pair<T> makePair(Class<T> cl){
        try{ return new Pair<>(cl.newInstance() , cl.newInstance()); }
        catch(Exception ex) { return null; }
    }
    
    //这个方法可以按照下列方式调用：
    Pair<String> p = Pair.makePair(String.class);　　

• • 注意：Class类本身是泛型。String.class是一个Class<String>的实例，因此makePair方法能够推断出pair的类型
• 不能使用new T[..]
  • 即不能(直接)创建泛型数组，参考我另一篇博文(http://www.cnblogs.com/ixenos/p/5648519.html)，这里不再赘述
  • 解决方案：使用泛型数组包装器，例如ArrayList
    • 然而，当在设计一个泛型数组包装器时，例如方法minmax返回一个T[]数组，则泛型数组包装器无法施展，因为类型擦除，return (T [])new Object是没有意义的强转不了。此时只好利用反射，调用Array.newInstance：

    • import java.lang.reflect.*;
      ...
      public static <T extends Comparable> T[] minmax(T... a){
          T[] mm = (T[]) Array.newInstance(a.getClass().getComponentType() , );
      ...
      }

    • 【API文档描述】public Class<?> getComponentType() 返回表示数组组件类型的 Class。如果此类不表示数组类，则此方法返回 null。

• • 而ArrayList类中的toArray方法的实现就麻烦了
    • public Object[] toArray() 无参，返回Object[]数组即可　

      public Object[] toArray() {
              return Arrays.copyOf(elementData, size);
          }

      • 【API文档描述】public static <T> T[] copyOf(T[] original,int newLength)

        　　复制指定的数组，截取或用 null 填充（如有必要），以使副本具有指定的长度。对于在原数组和副本中都有效的所有索引，这两个数组将包含相同的值。对于在副本中有效而在原数组无效的所有索引，副本将包含 null。当且仅当指定长度大于原数组的长度时，这些索引存在。所得数组和原数组属于完全相同的类。 

    • public <T> T[] toArray(T[] a) a - 要存储列表元素的T[]数组（如果它足够大）否则分配一个具有相同运行时类型的新数组，返回该T[]数组

    • @SuppressWarnings("unchecked")
          public <T> T[] toArray(T[] a) {
              if (a.length < size)
                  // Make a new array of a's runtime type, but my contents:
                  return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass()); //a.getClass()得运行时目的数组的运行时类型
              System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
              if (a.length > size)
                  a[size] = null;
              return a;
          }

      • 　【API文档描述】

        public static <T,U> T[] copyOf(U[] original,int newLength, Class<? extends T[]> newType)

        复制指定的数组，截取或用 null 填充（如有必要），以使副本具有指定的长度。对于在原数组和副本中都有效的所有索引，这两个数组将包含相同的值。对于在副本中有效而在原数组无效的所有索引，副本将包含 null。当且仅当指定长度大于原数组的长度时，这些索引存在。所得数组属于 newType 类。

 泛型类的静态上下文中类型变量无效

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• 泛型类不能在静态域或静态方法中引用类型变量

• public class Singleton<T>{
      private static T singleInstance; //ERROR
      public static T getSingleInstance(){...} //ERROR
  }

  • 类型擦除后只剩下Singleton类，因为静态所以他只包含一个singleInstance域，如果能运行则以Singleton类为模板生成不同类型的域，因此产生了冲突

不能throws或catch泛型类的实例（有关异常）

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• 泛型类继承Throwable类不合法，如public class Problem<T> extends Exception {...} //ERROR 不能通过编译
• catch子句不能使用类型变量

• public static <T extends Throwable> void doWork(Class<T> t){
      try{
              do work
          }catch (T e){ // ERROR
              Logger.global.info(...)
          }
  }

• 不过，在异常规范中使用类型变量是允许的：　　

• public static <T extends Throwable> void doWork(T t) throws T { //此时可以throws T
      try{
              do work
          }catch (Throwable realCause){ //捕获到具体实例
              t.initCause(realCause);
              throw t; //这时候抛具体实例，所以throw t 和 throws T 是可以的!
          }
  }

  • 此特性作用：可以利用泛型类、类型擦除、SuppressWarnings标注，来消除对已检查(checked)异常的检查，
    
    • unchecked和checked异常: Java语言规范将派生于Error类或RuntimeException的所有异常称为未检查(unchecked)异常，其他的是已检查(checked)异常
    • Java异常处理原则：必须为所有已检查(checked)异常提供一个处理器，即一对一个，多对多个

      @SuppressWarnings("unchecked")  //SuppressWarning标注很关键，使得编译器认为T是unchecked异常从而不强迫为每一个异常提供处理器
      public static <T extends Throwable> void throwAs(Throwable e) throws T{  //因为泛型和类型擦除，可以传递任意checked异常，例如RuntimeException类异常
          throw (T) e;
      }

      • 假设该方法放在类Block中，如果调用 Block.<RuntimeException>throwAs(t); 编译器就会认为t是一个未检查的异常

      • public abstract class Block{
            public abstract void body() throws Exception;
            public Thread toThread(){
                return new Thread(){
                                public void run(){
                                    try{
                                         body();
                                    }catch(Throwable t){
                                         Block.<RuntimeException>throwAs(t);
                                    }
                                }
                            };
            }
        
            @SuppressWarnings("unchecked")
            public static <T extends Throwable> void throwAs(Throwable e) throws T{
            throw (T) e ;
            }
        }

      • 再写个测试类

      • public class Test{
            public static void main(String[] args){
                new Block(){
                    public void body() throws Exception{
                        //不存在ixenos文件将产生IOException，checked异常！
                        Scanner in = new Scanner(new File("ixenos"));
                        while(in.hasNext())
                            System.out.println(in.next());
                    }
                }.toThread().start();
            }
        }    

        • 启动线程后，throwAs方法将捕获线程run方法所有checked异常，“处理”成unchecked Exception(其实只是骗了编译器)后抛出；
          
        • 有什么意义？正常情况下，因为run()方法声明为不抛出任何checked异常，所以必须捕获所有checked异常并“包装”到未检查的异常中；意义：而我们这样处理后，就不必去捕获所有并包装到unchecked异常中，我们只是抛出异常并“哄骗”了编译器而已

注意擦除后的冲突

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• Java泛型规范有个原则：“要想支持擦除的转换，就需要强行限制一个泛型类或类型变量T不能同时成为两个接口类型的子类，而这两个接口是统一接口的不同参数化”
  • 注意：非泛型类可以同时实现同一接口，毕竟没有泛型，很好处理

  • class Calender implements Comparable<Calender>{...}
    
    class GGCalender extends Calender implements Comparable<GGCalender>{...} //ERROR

    • 在这里GGCalender类会同时实现Comparable<Calender> 和 Comparable<GGCalender>，这是同一接口的不同参数化