Java泛型

表面上看起来，无论语法还是应用的环境（比如容器类），泛型类型（或者泛型）都类似于 C++ 中的模板。但是这种相似性仅限于表面，Java 语言中的泛型基本上完全在编译器中实现，由编译器执行类型检查和类型推断，然后生成普通的非泛型的字节码。这种实现技术称为 擦除（erasure）（编译器使用泛型类型信息保证类型安全，然后在生成字节码之前将其清除），这项技术有一些奇怪，并且有时会带来一些令人迷惑的后果。虽然范型是 Java 类走向类型安全的一大步，但是在学习使用泛型的过程中几乎肯定会遇到头痛（有时候让人无法忍受）的问题。
注意：本文假设您对 JDK 5.0 中的范型有基本的了解。

泛型不是协变的
虽然将集合看作是数组的抽象会有所帮助，但是数组还有一些集合不具备的特殊性质。Java 语言中的数组是协变的（covariant），也就是说，如果 Integer扩展了 Number（事实也是如此），那么不仅 Integer是 Number，而且 Integer[]也是 Number[]，在要求 Number[]的地方完全可以传递或者赋予 Integer[]。（更正式地说，如果 Number是 Integer的超类型，那么 Number[]也是 Integer[]的超类型）。您也许认为这一原理同样适用于泛型类型 —— List<Number>是 List<Integer>的超类型，那么可以在需要 List<Number>的地方传递 List<Integer>。不幸的是，情况并非如此。
不允许这样做有一个很充分的理由：这样做将破坏要提供的类型安全泛型。如果能够将 List<Integer>赋给 List<Number>。那么下面的代码就允许将非 Integer的内容放入 List<Integer>：

List<Integer> inteList = new ArrayList<Integer>();
List<Number> numList = inteList;//illegal
numList.add(new Float(3.1415));

因为 numList 是 List<Number>，所以向其添加 Float似乎是完全合法的。但是如果 numList 是 inteList 的别名，那么这就破坏了蕴含在 inteList 定义中的类型安全承诺 —— 它是一个整数列表，这就是泛型类型不能协变的原因。

其他的协变问题
数组能够协变而泛型不能协变的另一个后果是，不能实例化泛型类型的数组（new List<String>[3]是不合法的），除非类型参数是一个未绑定的通配符（new List<?>[3]是合法的）。让我们看看如果允许声明泛型类型数组会造成什么后果：

List<String>[] strList = new List<String>[10];//illegal  List<?>[] strList = new List<?>[10];//legal
Object[] objA = strList;// OK because List<String> is a subtype of Object 
List<Integer> inteList = new ArrayList<Integer>();
objA[0] = inteList;
String s = strList[0].get(0);

最后一行将抛出 ClassCastException，因为这样将把 List<Integer>填入本应是 List<String>的位置。因为数组协变会破坏泛型的类型安全，所以不允许实例化泛型类型的数组（除非类型参数是未绑定的通配符，比如 List<?>）。


构造延迟
因为可以擦除功能，所以 List<Integer>和 List<String>是同一个类，编译器在编译 List<V>时只生成一个类（和 C++ 不同）。因此，在编译 List<V>类时，编译器不知道 V所表示的类型，所以它就不能像知道类所表示的具体类型那样处理 List<V>类定义中的类型参数（List<V>中的 V）。
因为运行时不能区分 List<String>和 List<Integer>（运行时都是 List），用泛型类型参数标识类型的变量的构造就成了问题。运行时缺乏类型信息，这给泛型容器类和希望创建保护性副本的泛型类提出了难题。
比如泛型类 Foo：
假设 doSomething()方法希望复制输入的 param参数，会怎么样呢？没有多少选择。您可能希望按以下方式实现 doSomething()：

class Foo<T>{
		
		public void doSomething(T param){
			
			T copy = new T(param);// illegal
			
		}
	
	}

但是您不能使用类型参数访问构造函数，因为在编译的时候还不知道要构造什么类，因此也就不知道使用什么构造函数。使用泛型不能表达“T必须拥有一个拷贝构造函数（copy constructor）”（甚至一个无参数的构造函数）这类约束，因此不能使用泛型类型参数所表示的类的构造函数。
clone()怎么样呢？假设在 Foo的定义中，T扩展了 Cloneable：

class Foo<T extends Cloneable>{
		
		public void doSomething(T param){
			
			T copy = (T)param.clone();// illegal
			
		}
	}

不幸的是，仍然不能调用 param.clone()。为什么呢？因为 clone()在 Object中是保护访问的，调用 clone()必须通过将 clone()改写公共访问的类引用来完成。但是重新声明 clone()为 public 并不知道 T，因此克隆也无济于事。

构造通配符引用
因此，不能复制在编译时根本不知道是什么类的类型引用。那么使用通配符类型怎么样？假设要创建类型为 Set<?>的参数的保护性副本。您知道 Set有一个拷贝构造函数。而且别人可能曾经告诉过您，如果不知道要设置的内容的类型，最好使用 Set<?>代替原始类型的 Set，因为这种方法引起的未检查类型转换警告更少。于是，可以试着这样写：

class Foo{
		
		public void doSomething(Set<?> set){
			
			Set<?> copy = new HashSet<?>(set);  // illegal 
			
		}
	}

不幸的是，您不能用通配符类型的参数调用泛型构造函数，即使知道存在这样的构造函数也不行。不过您可以这样做：

class Foo{
		
		public void doSomething(Set<?> set){
			
			Set<?> copy = new HashSet<Object>(set); 
			
		}
	}

这种构造不那么直观，但它是类型安全的，而且可以像 new HashSet<?>(set)那样工作。

构造数组
如何实现 ArrayList<V>？假设类 ArrayList管理一个 V数组，您可能希望用 ArrayList<V>的构造函数创建一个 V数组：

class ArrayList<V> { 
		private V[] backingArray;
		private int DEFAULT_SIZE = 100 ;
		public ArrayList() { 
		    backingArray = new V[DEFAULT_SIZE]; // illegal 
	  } 
	} 

但是这段代码不能工作 —— 不能实例化用类型参数表示的类型数组。编译器不知道 V到底表示什么类型，因此不能实例化 V数组。
Collections 类通过一种别扭的方法绕过了这个问题，在 Collections 类编译时会产生类型未检查转换的警告。ArrayList具体实现的构造函数如下：

class ArrayList<V> { 
		private V[] backingArray;
		private int DEFAULT_SIZE = 100 ;
		public ArrayList() { 
		    backingArray = (V[]) new Object[DEFAULT_SIZE]; 
		  } 
		} 

为何这些代码在访问 backingArray时没有产生 ArrayStoreException呢？无论如何，都不能将 Object数组赋给 String数组。因为泛型是通过擦除实现的，backingArray的类型实际上就是 Object[]，因为 Object代替了 V。这意味着：实际上这个类期望 backingArray是一个 Object数组，但是编译器要进行额外的类型检查，以确保它包含 V类型的对象。所以这种方法很奏效，但是非常别扭，因此不值得效仿（甚至连泛型 Collections 框架的作者都这么说，请参阅 参考资料）。
还有一种方法就是声明 backingArray为 Object数组，并在使用它的各个地方强制将它转化为 V[]。仍然会看到类型未检查转换警告（与上一种方法一样），但是它使一些未明确的假设更清楚了（比如 backingArray不应逃避 ArrayList的实现）。

其他方法
最好的办法是向构造函数传递类文字（Foo.class），这样，该实现就能在运行时知道 T的值。不采用这种方法的原因在于向后兼容性 —— 新的泛型集合类不能与 Collections 框架以前的版本兼容。
下面的代码中 ArrayList采用了以下方法：

public class ArrayList<V> implements List<V> { 
		  private V[] backingArray; 
		  private Class<V> elementType;
		  private int DEFAULT_LENGTH = 100 ;
		  public ArrayList(Class<V> elementType) { 
		    this.elementType = elementType; 
		    backingArray = (V[]) Array.newInstance(elementType, DEFAULT_LENGTH); 
		  }
......
}

但是等一等！仍然有不妥的地方，调用 Array.newInstance()时会引起未经检查的类型转换。为什么呢？同样是由于向后兼容性。Array.newInstance()的签名是：

public static Object newInstance(Class<?> componentType, int length)

而不是类型安全的:

public static<T> T[] newInstance(Class<T> componentType, int length) 

为何 Array用这种方式进行泛化呢？同样是为了保持向后兼容。要创建基本类型的数组，如 int[]，可以使用适当的包装器类中的 TYPE字段调用 Array.newInstance()（对于 int，可以传递 Integer.TYPE作为类文字）。用 Class<T>参数而不是 Class<?>泛化 Array.newInstance()，对于引用类型有更好的类型安全，但是就不能使用 Array.newInstance()创建基本类型数组的实例了。也许将来会为引用类型提供新的 newInstance()版本，这样就两者兼顾了。
在这里可以看到一种模式 —— 与泛型有关的很多问题或者折衷并非来自泛型本身，而是保持和已有代码兼容的要求带来的副作用。



擦除的实现
因为泛型基本上都是在 Java 编译器中而不是运行库中实现的，所以在生成字节码的时候，差不多所有关于泛型类型的类型信息都被“擦掉”了。换句话说，编译器生成的代码与您手工编写的不用泛型、检查程序的类型安全后进行强制类型转换所得到的代码基本相同。与 C++ 不同，List<Integer>和 List<String>是同一个类（虽然是不同的类型但都是 List<?>的子类型，与以前的版本相比，在 JDK 5.0 中这是一个更重要的区别）。
擦除意味着一个类不能同时实现 Comparable<String>和 Comparable<Number>，因为事实上两者都在同一个接口中，指定同一个 compareTo()方法。声明 DecimalString类以便与 String与 Number比较似乎是明智的，但对于 Java 编译器来说，这相当于对同一个方法进行了两次声明：

public class DecimalString implements Comparable<Number>, Comparable<String>
{ ... } // nope 

擦除的另一个后果是，对泛型类型参数是用强制类型转换或者 instanceof毫无意义。下面的代码完全不会改善代码的类型安全性：

public <T> T naiveCast(T t, Object o) { return (T) o; } 

编译器仅仅发出一个类型未检查转换警告，因为它不知道这种转换是否安全。naiveCast()方法实际上根本不作任何转换，T直接被替换为 Object，与期望的相反，传入的对象被强制转换为 Object。
擦除也是造成上述构造问题的原因，即不能创建泛型类型的对象，因为编译器不知道要调用什么构造函数。如果泛型类需要构造用泛型类型参数来指定类型的对象，那么构造函数应该接受类文字（Foo.class）并将它们保存起来，以便通过反射创建实例。

结束语
泛型是 Java 语言走向类型安全的一大步，但是泛型设施的设计和类库的泛化并非未经过妥协。扩展虚拟机指令集来支持泛型被认为是无法接受的，因为这会为 Java 厂商升级其 JVM 造成难以逾越的障碍。因此采用了可以完全在编译器中实现的擦除方法。类似地，在泛型 Java 类库时，保持向后兼容也为类库的泛化方式设置了很多限制，产生了一些混乱的、令人沮丧的结构（如 Array.newInstance()）。这并非泛型本身的问题，而是与语言的演化与兼容有关。但这些也使得泛型学习和应用起来更让人迷惑，更加困难。


参考：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp01255.html