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面试题系列：用了这么多年的 Java 泛型，我竟然只知道它的皮毛

面试考察点#

考察目的：了解求职者对于Java基础知识的掌握程度。

考察范围：工作1-3年的Java程序员。

背景知识#

Java中的泛型，是JDK5引入的一个新特性。

它主要提供的是编译时期类型的安全检测机制。这个机制允许程序在编译时检测到非法的类型，从而进行错误提示。

这样做的好处，一方面是告诉开发者当前方法接收或返回的参数类型，另一方面是避免程序运行时的类型转换错误。

泛型的设计推演#

举一个比较简单的例子，首先我们来看一下ArrayList这个集合，部分代码定义如下。

public class ArrayList{
   transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
}

在ArrayList中，存储元素所使用的结构是一个Object[]对象数组。意味着可以存储任何类型的数据。

当我们使用这个ArrayList来做下面这个操作时。

public class ArrayExample {

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList al=new ArrayList();
        al.add("Hello World");
        al.add(1001);
        String str=(String)al.get(1);
        System.out.println(str);
    }
}

运行程序后，会得到如下的执行结果

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: java.lang.Integer cannot be cast to java.lang.String
	at org.example.cl06.ArrayExample.main(ArrayExample.java:11)

这种类型转换错误，相信大家在开发中有遇到过，总的来说，在没有泛型的情况下，会有两个比较严重的问题

需要对类型进行强制转换
使用不方便，容易出错

怎么解决上面这个问题呢？要解决这个问题，就得思考这个问题背后的需求是什么？

我简单总结两点：

要能支持不同类型的数据存储
还需要保证存储数据类型的统一性

基于这两个点不难发现，对于一个数据容器中要存储什么类型的数据，其实是由开发者自己决定的。因此，为了解决这个问题，在JDK5中就引入了泛型的机制。

其定义形式是：ArrayList<E>，它相当于给ArrayList提供了一个类型输入的模板E，E可以是任意类型的对象，它的定义方式如下。

public class ArrayList<E>{
   transient E[] elementData; // non-private to simplify nested class access
}

在ArrayList这个类的定义中，使用<>语法，并传入一个用来表示任意类型的对象E，这个E可以随便定义，你可以定义成A、B、C都可以。

接着，把用来存储元素的数组elementData的类型，设置为E类型。

有了这个配置之后，ArrayList这个容器中，你想存储什么类型的数据，是由使用者自己决定，比如我希望ArrayList只存储String类型，那么它可以这么实现

public class ArrayExample {

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> al=new ArrayList();
        al.add("Hello World");
        al.add(1001);
        String str=(String)al.get(1);
        System.out.println(str);
    }
}

在定义ArrayList时，传入一个String类型，这样写意味着后续往ArrayList这个实例对象al中添加元素，必须是String类型，否则会提示如下的语法错误。

同理，如果需要保存其他类型的数据，可以这么写:

ArrayList
ArrayList

总结：所谓泛型定义，其实本质上就是一种类型模板，在实际开发中，我们把一个容器或者一个对象中需要保存的属性的类型，通过模板定义的方式，给到调用者来决定，从而保证了类型的安全性。

泛型的定义#

泛型定义可以从两个维度来说明：

泛型类
泛型方法

泛型类#

泛型类指的是在类名后面添加一个或多个类型参数，一个泛型参数，也被称为一个类型变量，是用于指定一个泛型类型名称的标识符。因为他们接受一个或多个参数，这些类被称为参数化的类或参数化的类型。

类型变量的表示标记，常用的是：E(element)，T（type)、K(key)，V(value)，N(number)等，这只是一个表示符号，可以是任何字符，没有强制要求。

下面的代码是关于泛型类的定义。

该类接收一个T标记符的类型参数，该类中有一个成员变量，使用T类型。

public class Response <T>{
    
    private T data;

    public T getData() {
        return data;
    }

    public void setData(T data) {
        this.data = data;
    }
}

使用方式如下:

public static void main(String[] args) {
  Response<String> res=new Response<>();
  res.setData("Hello World");
}

泛型方法#

泛型方法是指指定方法级别的类型参数，这个方法在调用时可以接收不同的参数类型，根据传递给泛型方法的参数类型，编译器适当地处理每一个方法调用。

下面的代码表示泛型方法的定义，用到了JDK提供的反射机制，来生成动态代理类。

public interface IHelloWorld {

    String say();
}

定义getProxy方法，它用来生成动态代理对象，但是传递的参数类型是T，也就是说，这个方法可以完成任意接口的动态代理实例的构建。

在这里，我们针对IHelloWorld这个接口，构建了动态代理实例，代码如下。

public class ArrayExample implements InvocationHandler {

    public <T> T getProxy(Class<T> clazz){
        // clazz 不是接口不能使用JDK动态代理
        return (T) Proxy.newProxyInstance(clazz.getClassLoader(), new Class<?>[]{ clazz }, ArrayExample.this);
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        return "Hello World";
    }

    public static void main(String[] args) {
        IHelloWorld hw=new ArrayExample().getProxy(IHelloWorld.class);
        System.out.println(hw.say());
    }
}

运行结果:

Hello World

关于泛型方法的定义规则，简单总结如下：

所有泛型方法的定义，都有一个用<>表示的类型参数声明，这个类型参数声明部分在方法返回类型之前。
每一个类型参数声明部分包含一个或多个类型参数，参数间用逗号隔开。一个泛型参数，也被称为一个类型变量，是用于指定一个泛型类型名称的标识符。
类型参数能被用来声明返回值类型，并且能作为泛型方法得到的实际参数类型的占位符
泛型方法体的声明和其他方法一样。注意类型参数只能代表引用型类型，不能是原始类型（像 int、double、char 等）。##

多类型变量定义#

上在我们只定义了一个泛型变量T，那如果我们需要传进去多个泛型要怎么办呢？

我们可以这么写：

public class Response <T,K,V>{
}

每一个参数声明符号代表一种类型。

注意，在多变量类型定义中，泛型变量最好是定义成能够简单理解具有含义的字符，否则类型太多，调用者比较容易搞混。

有界类型参数#

在有些场景中，我们希望传递的参数类型属于某种类型范围，比如，一个操作数字的方法可能只希望接受Number或者Number子类的实例，怎么实现呢？

泛型通配符上边界#

上边界，代表类型变量的范围有限，只能传入某种类型，或者它的子类。

我们可以在泛型参数上，增加一个extends关键字，表示该泛型参数类型，必须是派生自某个实现类，示例代码如下。

public class TypeExample<T extends Number> {
    private T t;

    public T getT() {
        return t;
    }

    public void setT(T t) {
        this.t = t;
    }

    public static void main(String[] args) {
        TypeExample<String> t=new TypeExample<>();
    }
}

上述代码，声明了一个泛型参数T，该泛型参数必须是继承Number这个类，表示后续实例化TypeExample时，传入的泛型类型应该是Number的子类。

所以，有了这个规则后，上面这个测试代码，会提示java: 类型参数java.lang.String不在类型变量T的范围内错误。

泛型通配符下边界#

下边界，代表类型变量的范围有限，只能传入某种类型，或者它的父类。

我们可以在泛型参数上，增加一个super关键字，可以设定泛型通配符的上边界。实例代码如下。

public class TypeExample<T> {
    private T t;

    public T getT() {
        return t;
    }
    public void setT(T t) {
        this.t = t;
    }
    public static void say(TypeExample<? super Number> te){
        System.out.println("say: "+te.getT());
    }
    public static void main(String[] args) {
        TypeExample<Number> te=new TypeExample<>();
        TypeExample<Integer> te2=new TypeExample<>();
        say(te);
        say(te2);
    }
}

在say方法上声明TypeExample<? super Number> te，表示传入的TypeExample的泛型类型，必须是Number以及Number的父类类型。

在上述代码中，运行时会得到如下错误:

java: 不兼容的类型: org.example.cl06.TypeExample<java.lang.Integer>无法转换为org.example.cl06.TypeExample<? super java.lang.Number>

如下图所示，表示Number这个类的类关系图，通过super关键字限定后，只能传递Number以及父类Serializable。

类型通配符?#

类型通配符一般是使用 ? 代替具体的类型参数。例如 List<?> 在逻辑上是 List,List 等所有 List<具体类型实参> 的父类。

来看下面这段代码的定义，在say方法中，接受一个TypeExample类型的参数，并且泛型类型是<?>，代表接收任何类型的泛型类型参数。

public class TypeExample<T> {
    private T t;

    public T getT() {
        return t;
    }

    public void setT(T t) {
        this.t = t;
    }
    public static void say(TypeExample<?> te){
        System.out.println("say: "+te.getT());
    }
    public static void main(String[] args) {
        TypeExample<Integer> te1=new TypeExample<>();
        te1.setT(1111);
        TypeExample<String> te2=new TypeExample<>();
        te2.setT("Hello World");
        say(te1);
        say(te2);
    }
}

运行结果如下

say: 1111
say: Hello World

同样，类型通配符的参数，也可以通过extends来做限定，比如：

public class TypeExample<T> {
    private T t;

    public T getT() {
        return t;
    }

    public void setT(T t) {
        this.t = t;
    }
    public static void say(TypeExample<? extends Number> te){ //修改，增加extends
        System.out.println("say: "+te.getT());
    }
    public static void main(String[] args) {
        TypeExample<Integer> te1=new TypeExample<>();
        te1.setT(1111);
        TypeExample<String> te2=new TypeExample<>();
        te2.setT("Hello World");
        say(te1);
        say(te2);
    }
}

由于say方法中的参数TypeExample，在泛型类型定义中使用了<? extends Number>，所以后续在传递参数时，泛型类型必须是Number的子类型。

因此上述代码运行时，会提示如下错误：

java: 不兼容的类型: org.example.cl06.TypeExample<java.lang.String>无法转换为org.example.cl06.TypeExample<? extends java.lang.Number>

注意：构建泛型实例时，如果省略了泛型类型，则默认是通配符类型，意味着可以接受任意类型的参数。

泛型的继承#

泛型类型参数的定义，是允许被继承的，比如下面这种写法。

表示子类SayResponse和父类Response使用同一种泛型类型。

public class SayResponse<T> extends Response<T>{
    private T ox;
}

JVM是如何实现泛型的？#

在JVM中，采用了类型擦除Type erasure generics）的方式来实现泛型，简单来说，就是泛型只存在.java源码文件中，一旦编译后就会把泛型擦除.

我们来看ArrayExample这个类，编译之后的字节指令。

public class ArrayExample implements InvocationHandler {

    public <T> T getProxy(Class<T> clazz){
        // clazz 不是接口不能使用JDK动态代理
        return (T) Proxy.newProxyInstance(clazz.getClassLoader(), new Class<?>[]{ clazz }, ArrayExample.this);
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        return "Hello World";
    }

    public static void main(String[] args) {
        IHelloWorld hw=new ArrayExample().getProxy(IHelloWorld.class);
        System.out.println(hw.say());
    }
}

通过javap -v ArrayExample.class查看字节指令如下。

 public <T extends java.lang.Object> T getProxy(java.lang.Class<T>);
    descriptor: (Ljava/lang/Class;)Ljava/lang/Object;
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=5, locals=2, args_size=2
         0: aload_1
         1: invokevirtual #2                  // Method java/lang/Class.getClassLoader:()Ljava/lang/ClassLoader;

可以看到，getProxy在编译之后，泛型T已经被擦除了，参数类型替换成了java.lang.Object.

并不是所有类型都会转换为java.lang.Object，比如如果是，则参数类型是java.lang.String。

同时，为了保证IHelloWorld hw=new ArrayExample().getProxy(IHelloWorld.class);这段代码的准确性，编译器还会在这里插入一个类型转换的机制。

下面这个代码是ArrayExample.class反编译之后的呈现。

IHelloWorld hw = (IHelloWorld)(new ArrayExample()).getProxy(IHelloWorld.class);
System.out.println(hw.say());

泛型类型擦除实现带来的缺陷#

擦除方式实现泛型，还是会存在一些缺陷的，简单举几个案例说明。

不支持基本类型#

由于泛型类型擦除后，变成了java.lang.Object类型，这种方式对于基本类型如int/long/float等八种基本类型来说，就比较麻烦，因为Java无法实现基本类型到Object类型的强制转换。

 ArrayList<int> list=new ArrayList<int>();

如果这么写，会得到如下错误

java: 意外的类型
  需要: 引用
  找到:    int

所以，在泛型定义中，只能使用引用类型。

但是作为引用类型，如果保存基本类型的数据时，又会涉及到装箱和拆箱的过程。比如

List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
list.add(10); // 1
int num = list.get(0); // 2

在上述代码中，声明了一个List<Integer>泛型类型的集合，

在标记1的位置，添加了一个int类型的数字10，这个过程中，会涉及到装箱操作，也就是把基本类型int转换为Integer.

在标记2的位置，编译器首先要把Object转换为Integer类型，接着再进行拆箱，把Integer转换为int。因此上述代码等同于

List list = new ArrayList();
list.add(Integer.valueOf(10));
int num = ((Integer) list.get(0)).intValue();

增加了一些执行步骤，对于执行效率来说还是会有一些影响。

运行期间无法获取泛型实际类型#

由于编译之后，泛型就被擦除，所以在代码运行期间，Java 虚拟机无法获取泛型的实际类型。

下面这段代码，从源码上两个 List 看起来是不同类型的集合，但是经过泛型擦除之后，集合都变为 ArrayList。所以 if语句中代码将会被执行。

public static void main(String[] args) {
  ArrayList<Integer> li = new ArrayList<>();
  ArrayList<Float> lf = new ArrayList<>();
  if (li.getClass() == lf.getClass()) { // 泛型擦除，两个 List 类型是一样的
    System.out.println("类型相同");
  }
}

运行结果：

类型相同

这就使得，我们在做方法重载时，无法根据泛型类型来定义重写方法。

也就是说下面这种方式无法实现重写。

public void say(List<Integer> a){}
public void say(List<String> b){}

另外还会给我们在实际使用中带来一些限制，比如说我们没办法直接实现以下代码

public <T> void say(T a){
  if(a instanceof T){

  }
  T t=new T();
}

上述代码会存在编译错误。

既然通过擦除的方式实现泛型有这么多缺陷，那为什么要这么设计呢？

要回答这个问题，需要知道泛型的历史，Java的泛型是在Jdk 1.5 引入的，在此之前Jdk中的容器类等都是用Object来保证框架的灵活性，然后在读取时强转。但是这样做有个很大的问题，那就是类型不安全，编译器不能帮我们提前发现类型转换错误，会将这个风险带到运行时。引入泛型，也就是为解决类型不安全的问题，但是由于当时java已经被广泛使用，保证版本的向前兼容是必须的，所以为了兼容老版本jdk，泛型的设计者选择了基于擦除的实现。