Java 泛型的约束与局限性

Java 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
  • 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)
  • 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)
  • 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

• • • 经编译器类型擦除后，table的类型是Pair[]，可以协变数组为Object[]，例如：//注意这里Pair是静态类型了，不是泛型参数，所以是Pair[]

    • Object[] objArray = table;

    • 数组会记住他的元素类型Pair，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，例如：

    • objArray[0] = new Pair<Employee>();

      • 数组存储只会检查擦除的类型，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（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
  • 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() , 2);
        ...
        }

      • • • 【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
  • 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
      
    • 故，在一个泛型类中禁止使用带有类型变量的静态域和静态方法

• 不能throws或catch泛型类的实例（有关异常）
  • 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
    • 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