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前言
- 泛型（Generic Type）無論在哪一門語言里昼牛，都是最難語法的存在术瓮，細(xì)節(jié)之繁雜、理解之困難贰健，令人切齒胞四；
- 在這個(gè)系列里，我將總結(jié)
Java & Kotlin中泛型的知識(shí)點(diǎn)伶椿，帶你從語法 & 原理全面理解泛型辜伟。追求簡(jiǎn)單易懂又不失深度，如果能幫上忙脊另，請(qǐng)務(wù)必點(diǎn)贊加關(guān)注导狡！ - 首先，嘗試回答這些面試中容易出現(xiàn)的問題：
1偎痛、下列代碼中旱捧，編譯出錯(cuò)的是：
public class MyClass<T> {
private T t0; // 0
private static T t1; // 1
private T func0(T t) { return t; } // 2
private static T func1(T t) { return t; } // 3
private static <T> T func2(T t) { return t; } // 4
}
2、泛型的存在是用來解決什么問題踩麦？
3枚赡、請(qǐng)說明泛型的原理，什么是泛型擦除機(jī)制谓谦，具體是怎樣實(shí)現(xiàn)的贫橙？
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目錄
1. 泛型基礎(chǔ)
- 問：什么是泛型，有什么作用反粥？
答：在定義類料皇、接口和方法時(shí)，可以附帶類型參數(shù)星压，使其變成泛型類践剂、泛型接口和泛型方法。與非泛型代碼相比娜膘，使用泛型有三大優(yōu)點(diǎn)：更健壯（在編譯時(shí)進(jìn)行更強(qiáng)的類型檢查）逊脯、更簡(jiǎn)潔（消除強(qiáng)轉(zhuǎn)，編譯后自動(dòng)會(huì)增加強(qiáng)轉(zhuǎn)）竣贪、更通用（代碼可適用于多種類型）
- 問：什么是類型擦除機(jī)制军洼？
答：泛型本質(zhì)上是 Javac 編譯器的一顆 語法糖巩螃，這是因?yàn)椋悍盒褪?JDK1.5 中引進(jìn)的新特性，為了 向下兼容匕争，Java 虛擬機(jī)和 Class 文件并沒有提供泛型的支持避乏，而是讓編譯器擦除 Code 屬性中所有的泛型信息，需要注意的是甘桑，泛型信息會(huì)保留在類常量池的屬性中拍皮。
- 問：類型擦除的具體步驟？
答：類型擦除發(fā)生在編譯時(shí)跑杭，具體分為以下 3 個(gè)步驟：
- 1：擦除所有類型參數(shù)信息铆帽，如果類型參數(shù)是有界的，則將每個(gè)參數(shù)替換為其第一個(gè)邊界德谅；如果類型參數(shù)是無界的爹橱，則將其替換為 Object
- 2：（必要時(shí)）插入類型轉(zhuǎn)換，以保持類型安全
- 3：（必要時(shí)）生成橋接方法以在子類中保留多態(tài)性
舉個(gè)例子：
源碼：
public class Parent<T> {
public void func(T t){
}
}
public class Child<T extends Number> extends Parent<T> {
public T get() {
return null;
}
public void func(T t){
}
}
void test(){
Child<Integer> child = new Child<>();
Integer i = child.get();
}
---------------------------------------------------------
字節(jié)碼：
public class Parent {
public void func(Object t){
}
}
public class Child extends Parent {
public Number get() {
return null;
}
public void func(Number t) {
}
橋方法 - synthetic
public void func(Object t){
func((Number)t);
}
}
void test() {
Child<Integer> child = new Child();
// 插入強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換
Integer i = (Integer) child.get();
}
步驟1：Parent 中的類型參數(shù) T 被擦除為 Object窄做，而 Child 中的類型參數(shù) T 被擦除為 Number愧驱；
步驟2：child.get(); 插入了強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換
步驟3：在 Child 中生成橋方法，橋方法是編譯器生成的椭盏，所以會(huì)帶有 synthetic 標(biāo)志位冯键。為什么子類中需要增加橋方法呢，可以先思考這個(gè)問題：假如沒有橋方法庸汗，會(huì)怎么樣惫确？你可以看看下列代碼調(diào)用的是子類還是父類方法：
Parent<Integer> child = new Child<>();
Parent<Integer> parent = new Parent<>();
child.func(new Object()); // Parent#func(Object);
parent.func(new Object()); // Parent#func(Object);
這兩句代碼都會(huì)調(diào)用到 Parent#func()，如果你看過之前我寫過的一篇文章蚯舱，相信難不到你：《Java | 深入理解方法調(diào)用的本質(zhì)（含重載與重寫區(qū)別）》改化。在這里我簡(jiǎn)單分析下：
1、方法調(diào)用的本質(zhì)是根據(jù)方法的符號(hào)引用確定方法的直接引用（入口地址）
2枉昏、這兩句代碼調(diào)用的方法符號(hào)引用為：
child.func(1) => com/xurui/Child.func(Object)
parent.func(1) => com/xurui/Parent.func(Object)3陈肛、這兩句方法調(diào)用的字節(jié)碼指令為
invokevirtual4、類加載解析階段解析類的繼承關(guān)系兄裂，生成類的虛方法表
5句旱、調(diào)用階段（動(dòng)態(tài)分派）：Child 沒有重寫 func(Object)，所以 Child 的虛方法表中存儲(chǔ)的是Parent#func(Object)晰奖；Parent 的虛方法表中存儲(chǔ)的是Parent#func(Object);
可以看到谈撒，即使使用對(duì)象的實(shí)際類型為 Child ，這里調(diào)用的依舊是父類的方法匾南。這樣就失去了多態(tài)性啃匿。因此，才需要在泛型子類中添加橋方法。
- 問：為什么擦除后溯乒，反編譯還是看到類型參數(shù) T 夹厌？
反編譯Parent.class，可以看到 T 裆悄，不是已經(jīng)擦除了嗎矛纹？
public class Parent<T> {
public Parent() {
}
public void func(T t) {
}
}
答：泛型中所謂的類型擦除，其實(shí)只是擦除Code 屬性中的泛型信息光稼，在類常量池屬性（Signature屬性或南、LocalVariableTypeTable屬性）中其實(shí)還保留著泛型信息，這也是在運(yùn)行時(shí)可以反射獲取泛型信息的根本依據(jù)钟哥，我在第 4 節(jié)說。
- 問：泛型的限制 & 類型擦除會(huì)帶來什么影響瞎访？
由于類型擦除的影響腻贰，在運(yùn)行期是不清楚類型實(shí)參的實(shí)際類型的。為了避免程序的運(yùn)行結(jié)果與程序員語義不一致的情況扒秸，泛型在使用上存在一些限制播演。好處是類型擦除不會(huì)為每種參數(shù)化類型創(chuàng)建新的類，因此泛型不會(huì)增大內(nèi)存消耗伴奥。
2. Kotlin的實(shí)化類型參數(shù)
前面我們提到写烤，由于類型擦除的影響，在運(yùn)行期是不清楚類型實(shí)參的實(shí)際類型的拾徙。例如下面的代碼是不合法的洲炊，因?yàn)?code>T并不是一個(gè)真正的類型，而僅僅是一個(gè)符號(hào)：
在這個(gè)函數(shù)里尼啡，我們傳入一個(gè)List暂衡，企圖從中過濾出 T 類型的元素：
Java：
<T> List<T> filter(List list) {
List<T> result = new ArrayList<>();
for (Object e : list) {
if (e instanceof T) { // compiler error
result.add(e);
}
}
return result;
}
---------------------------------------------------
Kotlin：
fun <T> filter(list: List<*>): List<T> {
val result = ArrayList<T>()
for (e in list) {
if (e is T) { // cannot check for instance of erased type: T
result.add(e)
}
}
return result
}
在Kotlin中，有一種方法可以突破這種限制崖瞭，即：帶實(shí)化類型參數(shù)的內(nèi)聯(lián)函數(shù)：
Kotlin：
inline fun <reified T> filter(list: List<*>): List<T> {
val result = ArrayList<T>()
for (e in list) {
if (e is T) {
result.add(e)
}
}
return result
}
關(guān)鍵在于inline和reified狂巢，這兩者的語義是：
-
inline（內(nèi)聯(lián)函數(shù)）：Kotlin編譯器將內(nèi)聯(lián)函數(shù)的字節(jié)碼插入到每一次調(diào)用方法的地方 -
reified（實(shí)化類型參數(shù)）：在插入的字節(jié)碼中，使用類型實(shí)參的確切類型代替類型實(shí)參
規(guī)則很好理解书聚，對(duì)吧唧领。很明顯，當(dāng)發(fā)生方法內(nèi)聯(lián)時(shí)雌续，方法體字節(jié)碼就變成了：
調(diào)用：
val list = listOf("", 1, false)
val strList = filter<String>(list)
---------------------------------------------------
內(nèi)聯(lián)后：
val result = ArrayList<String>()
for (e in list) {
if (e is String) {
result.add(e)
}
}
需要注意的是斩个，內(nèi)聯(lián)函數(shù)整個(gè)方法體字節(jié)碼會(huì)被插入到調(diào)用位置，因此控制內(nèi)聯(lián)函數(shù)體的大小驯杜。如果函數(shù)體過大萨驶，應(yīng)該將不依賴于T的代碼抽取到單獨(dú)的非內(nèi)聯(lián)函數(shù)中。
注意艇肴，無法從 Java 代碼里調(diào)用帶實(shí)化類型參數(shù)的內(nèi)聯(lián)函數(shù)
實(shí)化類型參數(shù)的另一個(gè)妙用是代替 Class 對(duì)象引用腔呜，例如：
fun Context.startActivity(clazz: Class<*>) {
Intent(this, clazz).apply {
startActivity(this)
}
}
inline fun <reified T> Context.startActivity() {
Intent(this, T::class.java).apply {
startActivity(this)
}
}
調(diào)用方：
context.startActivity(MainActivity::class.java)
context.startActivity<MainActivity>() // 第二種方式會(huì)簡(jiǎn)化一些
3. 變型：協(xié)變 & 逆變 & 不變
變型（Variant）描述的是相同原始類型的不同參數(shù)化類型之間的關(guān)系叁温。說起來有點(diǎn)繞，其實(shí)就是說：Integer是Number的子類型核畴，問你List<Integer>是不是List<Number>的子類型膝但？
變型的種類具體分為三種：協(xié)變型 & 逆變型 & 不變型
- 協(xié)變型（covariant）：子類型關(guān)系被保留
- 逆變型（contravariant）：子類型關(guān)系被翻轉(zhuǎn)
- 不變型（invariant）：子類型關(guān)系被消除
在 Java 中，類型參數(shù)默認(rèn)是不變型的谤草，例如：
List<Number> l1;
List<Integer> l2 = new ArrayList<>();
l1 = l2; // compiler error
相比之下跟束，數(shù)組是支持協(xié)變型的：
Number[] nums;
Integer[] ints = new Integer[10];
nums = ints; // OK 協(xié)變，子類型關(guān)系被保留
那么丑孩，當(dāng)我們需要將List<Integer>類型的對(duì)象冀宴，賦值給List<Number>類型的引用時(shí)，應(yīng)該怎么做呢温学？這個(gè)時(shí)候我們需要限定通配符：
- <? extends> 上界通配符
要想類型參數(shù)支持協(xié)變略贮，需要使用上界通配符，例如：
List<? extends Number> l1;
List<Integer> l2 = new ArrayList<>();
l1 = l2; // OK
但是這會(huì)引入一個(gè)編譯時(shí)限制：不能調(diào)用參數(shù)包含類型參數(shù) E 的方法仗岖，也不能設(shè)置類型參數(shù)的字段逃延，簡(jiǎn)單來說，就是只能訪問不能修改（非嚴(yán)格）：
// ArrayList.java
public boolean add(E e) {
...
}
l1.add(1); // compiler error
- <? super> 下界通配符
要想類型參數(shù)支持逆變轧拄，需要使用下界通配符揽祥，例如：
List<? super Integer> l1;
List<Number> l2 = new ArrayList<>();
l1 = l2; // OK
同樣，這也會(huì)引入一個(gè)編譯時(shí)限制檩电，但是與協(xié)變相反：不能調(diào)用返回值為類型參數(shù)的方法拄丰，也不能訪問類型參數(shù)的字段，簡(jiǎn)單來說俐末，就是只能修改不能訪問（非嚴(yán)格）：
// ArrayList.java
public E get(int index) {
...
}
Integer i = l1.get(0); // compiler error
- <?> 無界通配符
<?>其實(shí)很簡(jiǎn)單愈案，很多資料其實(shí)都解釋得過于復(fù)雜了。<?> 其實(shí)就是 <? extends Object>的縮寫鹅搪，就是這樣站绪，沒了，例如：
List<?> l1;
List<Integer> l2 = new ArrayList<>();
l1 = l2; // OK
理解了這點(diǎn)丽柿，這個(gè)問題就很好回答了：
- 問：List 與 List<?>有什么區(qū)別恢准？
答：List 是原生類型，可以添加或訪問元素甫题，不具備編譯期安全性馁筐，而 List<?> 其實(shí)是 List<? extends Object>的縮寫，是協(xié)變型的（可引出協(xié)變型的特點(diǎn)與限制）坠非；從語義上敏沉，List<?> 表明使用者清楚變量是類型安全的，而不是因?yàn)槭韬龆褂昧嗽愋?List。
泛型代碼的設(shè)計(jì)盟迟，應(yīng)遵循PECS原則（Producer extends Consumer super）：
- 如果只需要獲取元素秋泳，使用 <? extends T>
- 如果只需要存儲(chǔ)，使用<? super T>
舉例：
// Collections.java public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) { }
在 Kotlin 中攒菠，變型寫法會(huì)有些不同迫皱，但是語義是完全一樣的：
協(xié)變：
val l0: MutableList<*> 相當(dāng)于MutableList<out Any?>
val l1: MutableList<out Number>
val l2 = ArrayList<Int>()
l0 = l2 // OK
l1 = l2 // OK
---------------------------------------------------
逆變：
val l1: MutableList<in Int>
val l2 = ArrayList<Number>()
l1 = l2 // OK
另外，Kotlin 的in & out不僅僅可以用在類型實(shí)參上辖众，還可以用在泛型類型聲明的類型參數(shù)上卓起。其實(shí)這是一種簡(jiǎn)便寫法，表示類設(shè)計(jì)者知道類型參數(shù)在整個(gè)類上只能協(xié)變或逆變凹炸，避免在每個(gè)使用的地方增加戏阅，例如 Kotlin 的List被設(shè)計(jì)為不可修改的協(xié)變型：
public interface List<out E> : Collection<E> {
...
}
注意：在 Java 中，只支持使用點(diǎn)變型啤它，不支持 Kotlin 類似的聲明點(diǎn)變型
小結(jié)一下：
4. 使用反射獲取泛型信息
前面提到了奕筐，編譯期會(huì)進(jìn)行類型擦除，Code 屬性中的類型信息會(huì)被擦除蚕键，但是在類常量池屬性（Signature屬性救欧、LocalVariableTypeTable屬性）中還保留著泛型信息衰粹，因此我們可以通過反射來獲取這部分信息锣光。
獲取泛型類型實(shí)參：需要利用Type體系
4.1 獲取泛型類 & 泛型接口聲明
TypeVariable
ParameterizedType
GenericArrayType
WildcardType
Gson TypeToken
Editting....
5. 總結(jié)
- 應(yīng)試建議
- 1、第 1 節(jié)非常非常重點(diǎn)铝耻，著重記憶：泛型的本質(zhì)和設(shè)計(jì)緣由誊爹、泛型擦除的三個(gè)步驟、限制和優(yōu)點(diǎn)瓢捉，已經(jīng)總結(jié)得很精華了频丘，希望能幫到你；
- 2泡态、著重理解變型（Variant）的概念搂漠，以及各種限定符的含義；
- 3某弦、Kotlin 相關(guān)的部分桐汤，作為知識(shí)積累和思路擴(kuò)展為主，非應(yīng)試重點(diǎn)靶壮。
參考資料
- 《Kotlin實(shí)戰(zhàn)》 （第9怔毛、10章）—— [俄] Dmitry Jemerov，Svetlana Isakova 著
- 《Java編程思想》 （第19腾降、20拣度、23章）—— [美] Bruce Eckel 著
- 《深入理解Java虛擬機(jī)（第3版本）》（第10章）—— 周志明 著
創(chuàng)作不易，你的「三連」是丑丑最大的動(dòng)力，我們下次見抗果！
