JDK 5.0 中增加的泛型類型，是 Java 語(yǔ)言中類型安全的一次重要改進(jìn)。但是，對(duì)于初次使用泛型類型的用戶來(lái)說(shuō)，泛型的某些方面看起來(lái)可能不容易明白，甚至非常奇怪。在本月的“Java 理論和實(shí)踐”中，Brian Goetz 分析了束縛第一次使用泛型的用戶的常見陷阱。您可以通過討論論壇與作者和其他讀者分享您對(duì)本文的看法。（也可以單擊本文頂端或底端的討論來(lái)訪問這個(gè)論壇。）
表面上看起來(lái)，無(wú)論語(yǔ)法還是應(yīng)用的環(huán)境（比如容器類），泛型類型（或者泛型）都類似于 C++ 中的模板。但是這種相似性僅限于表面，Java 語(yǔ)言中的泛型基本上完全在編譯器中實(shí)現(xiàn)，由編譯器執(zhí)行類型檢查和類型推斷，然后生成普通的非泛型的字節(jié)碼。這種實(shí)現(xiàn)技術(shù)稱為擦除（erasure）（編譯器使用泛型類型信息保證類型安全，然后在生成字節(jié)碼之前將其清除），這項(xiàng)技術(shù)有一些奇怪，并且有時(shí)會(huì)帶來(lái)一些令人迷惑的后果。雖然范型是 Java 類走向類型安全的一大步，但是在學(xué)習(xí)使用泛型的過程中幾乎肯定會(huì)遇到頭痛（有時(shí)候讓人無(wú)法忍受）的問題。
注意：本文假設(shè)您對(duì) JDK 5.0 中的范型有基本的了解。
泛型不是協(xié)變的
雖然將集合看作是數(shù)組的抽象會(huì)有所幫助，但是數(shù)組還有一些集合不具備的特殊性質(zhì)。Java 語(yǔ)言中的數(shù)組是協(xié)變的（covariant），也就是說(shuō)，如果 Integer 擴(kuò)展了 Number（事實(shí)也是如此），那么不僅 Integer 是 Number，而且 Integer[] 也是 Number[]，在要求 Number[] 的地方完全可以傳遞或者賦予 Integer[]。（更正式地說(shuō)，如果 Number 是 Integer 的超類型，那么 Number[] 也是 Integer[] 的超類型）。您也許認(rèn)為這一原理同樣適用于泛型類型 —— List<Number> 是 List<Integer> 的超類型，那么可以在需要 List<Number> 的地方傳遞 List<Integer>。不幸的是，情況并非如此。
不允許這樣做有一個(gè)很充分的理由：這樣做將破壞要提供的類型安全泛型。如果能夠?qū)?List<Integer> 賦給 List<Number>。那么下面的代碼就允許將非 Integer 的內(nèi)容放入 List<Integer>：
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
List<Number> ln = li; // illegal
ln.add(new Float(3.1415));
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因?yàn)?ln 是 List<Number>，所以向其添加 Float 似乎是完全合法的。但是如果 ln 是 li 的別名，那么這就破壞了蘊(yùn)含在 li 定義中的類型安全承諾 —— 它是一個(gè)整數(shù)列表，這就是泛型類型不能協(xié)變的原因。
其他的協(xié)變問題
數(shù)組能夠協(xié)變而泛型不能協(xié)變的另一個(gè)后果是，不能實(shí)例化泛型類型的數(shù)組（new List<String>[3] 是不合法的），除非類型參數(shù)是一個(gè)未綁定的通配符（new List<?>[3] 是合法的）。讓我們看看如果允許聲明泛型類型數(shù)組會(huì)造成什么后果：
List<String>[] lsa = new List<String>[10]; // illegal
Object[] oa = lsa; // OK because List<String> is a subtype of Object
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.add(new Integer(3));
oa[0] = li;
String s = lsa[0].get(0);
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最后一行將拋出 ClassCastException，因?yàn)檫@樣將把 List<Integer> 填入本應(yīng)是 List<String> 的位置。因?yàn)閿?shù)組協(xié)變會(huì)破壞泛型的類型安全，所以不允許實(shí)例化泛型類型的數(shù)組（除非類型參數(shù)是未綁定的通配符，比如 List<?>）。
構(gòu)造延遲
因?yàn)榭梢圆脸δ埽?List<Integer> 和 List<String> 是同一個(gè)類，編譯器在編譯 List<V> 時(shí)只生成一個(gè)類（和 C++ 不同）。因此，在編譯 List<V> 類時(shí)，編譯器不知道 V 所表示的類型，所以它就不能像知道類所表示的具體類型那樣處理 List<V> 類定義中的類型參數(shù)（List<V> 中的 V）。
因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)不能區(qū)分 List<String> 和 List<Integer>（運(yùn)行時(shí)都是 List），用泛型類型參數(shù)標(biāo)識(shí)類型的變量的構(gòu)造就成了問題。運(yùn)行時(shí)缺乏類型信息，這給泛型容器類和希望創(chuàng)建保護(hù)性副本的泛型類提出了難題。
比如泛型類 Foo：
class Foo<T> {
public void doSomething(T param) { ... }
}
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假設(shè) doSomething() 方法希望復(fù)制輸入的 param 參數(shù)，會(huì)怎么樣呢？沒有多少選擇。您可能希望按以下方式實(shí)現(xiàn) doSomething()：
public void doSomething(T param) {
T copy = new T(param); // illegal
}
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但是您不能使用類型參數(shù)訪問構(gòu)造函數(shù)，因?yàn)樵诰幾g的時(shí)候還不知道要構(gòu)造什么類，因此也就不知道使用什么構(gòu)造函數(shù)。使用泛型不能表達(dá)“T 必須擁有一個(gè)拷貝構(gòu)造函數(shù)（copy constructor）”（甚至一個(gè)無(wú)參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)）這類約束，因此不能使用泛型類型參數(shù)所表示的類的構(gòu)造函數(shù)。
clone()
怎么樣呢？假設(shè)在 Foo 的定義中，T 擴(kuò)展了 Cloneable：
class Foo<T extends Cloneable> {
public void doSomething(T param) {
T copy = (T) param.clone(); // illegal
}
}
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不幸的是，仍然不能調(diào)用 param.clone()。為什么呢？因?yàn)?clone() 在 Object 中是保護(hù)訪問的，調(diào)用 clone() 必須通過將 clone() 改寫公共訪問的類引用來(lái)完成。但是重新聲明 clone() 為 public 并不知道 T，因此克隆也無(wú)濟(jì)于事。
構(gòu)造通配符引用
因此，不能復(fù)制在編譯時(shí)根本不知道是什么類的類型引用。那么使用通配符類型怎么樣？假設(shè)要?jiǎng)?chuàng)建類型為 Set<?> 的參數(shù)的保護(hù)性副本。您知道 Set 有一個(gè)拷貝構(gòu)造函數(shù)。而且別人可能曾經(jīng)告訴過您，如果不知道要設(shè)置的內(nèi)容的類型，最好使用 Set<?> 代替原始類型的 Set，因?yàn)檫@種方法引起的未檢查類型轉(zhuǎn)換警告更少。于是，可以試著這樣寫：
class Foo {
public void doSomething(Set<?> set) {
Set<?> copy = new HashSet<?>(set); // illegal
}
}
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不幸的是，您不能用通配符類型的參數(shù)調(diào)用泛型構(gòu)造函數(shù)，即使知道存在這樣的構(gòu)造函數(shù)也不行。不過您可以這樣做：
class Foo {
public void doSomething(Set<?> set) {
Set<?> copy = new HashSet<Object>(set);
}
}
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這種構(gòu)造不那么直觀，但它是類型安全的，而且可以像 new HashSet<?>(set) 那樣工作。
構(gòu)造數(shù)組
如何實(shí)現(xiàn) ArrayList<V>？假設(shè)類 ArrayList 管理一個(gè) V 數(shù)組，您可能希望用 ArrayList<V> 的構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建一個(gè) V 數(shù)組：
class ArrayList<V> {
private V[] backingArray;
public ArrayList() {
backingArray = new V[DEFAULT_SIZE]; // illegal
}
}
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但是這段代碼不能工作 —— 不能實(shí)例化用類型參數(shù)表示的類型數(shù)組。編譯器不知道 V 到底表示什么類型，因此不能實(shí)例化 V 數(shù)組。
Collections 類通過一種別扭的方法繞過了這個(gè)問題，在 Collections 類編譯時(shí)會(huì)產(chǎn)生類型未檢查轉(zhuǎn)換的警告。ArrayList 具體實(shí)現(xiàn)的構(gòu)造函數(shù)如下：
class ArrayList<V> {
private V[] backingArray;
public ArrayList() {
backingArray = (V[]) new Object[DEFAULT_SIZE];
}
}
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為何這些代碼在訪問 backingArray 時(shí)沒有產(chǎn)生 ArrayStoreException 呢？無(wú)論如何，都不能將 Object 數(shù)組賦給 String 數(shù)組。因?yàn)榉盒褪峭ㄟ^擦除實(shí)現(xiàn)的，backingArray 的類型實(shí)際上就是 Object[]，因?yàn)?Object 代替了 V。這意味著：實(shí)際上這個(gè)類期望 backingArray 是一個(gè) Object 數(shù)組，但是編譯器要進(jìn)行額外的類型檢查，以確保它包含 V 類型的對(duì)象。所以這種方法很奏效，但是非常別扭，因此不值得效仿（甚至連泛型 Collections 框架的作者都這么說(shuō)，請(qǐng)參閱參考資料）。
還有一種方法就是聲明 backingArray 為 Object 數(shù)組，并在使用它的各個(gè)地方強(qiáng)制將它轉(zhuǎn)化為 V[]。仍然會(huì)看到類型未檢查轉(zhuǎn)換警告（與上一種方法一樣），但是它使一些未明確的假設(shè)更清楚了（比如 backingArray 不應(yīng)逃避 ArrayList 的實(shí)現(xiàn)）。
其他方法
最好的辦法是向構(gòu)造函數(shù)傳遞類文字（Foo.class），這樣，該實(shí)現(xiàn)就能在運(yùn)行時(shí)知道 T 的值。不采用這種方法的原因在于向后兼容性 —— 新的泛型集合類不能與 Collections 框架以前的版本兼容。
下面的代碼中 ArrayList 采用了以下方法：
public class ArrayList<V> implements List<V> {
private V[] backingArray;
private Class<V> elementType;
public ArrayList(Class<V> elementType) {
this.elementType = elementType;
backingArray = (V[]) Array.newInstance(elementType, DEFAULT_LENGTH);
}
}
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但是等一等！仍然有不妥的地方，調(diào)用 Array.newInstance() 時(shí)會(huì)引起未經(jīng)檢查的類型轉(zhuǎn)換。為什么呢？同樣是由于向后兼容性。Array.newInstance() 的簽名是：
public static Object newInstance(Class<?> componentType, int length)
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而不是類型安全的：
public static<T> T[] newInstance(Class<T> componentType, int length)
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為何 Array 用這種方式進(jìn)行泛化呢？同樣是為了保持向后兼容。要?jiǎng)?chuàng)建基本類型的數(shù)組，如 int[]，可以使用適當(dāng)?shù)陌b器類中的 TYPE 字段調(diào)用 Array.newInstance()（對(duì)于 int，可以傳遞 Integer.TYPE 作為類文字）。用 Class<T> 參數(shù)而不是 Class<?> 泛化 Array.newInstance()，對(duì)于引用類型有更好的類型安全，但是就不能使用 Array.newInstance() 創(chuàng)建基本類型數(shù)組的實(shí)例了。也許將來(lái)會(huì)為引用類型提供新的 newInstance() 版本，這樣就兩者兼顧了。
在這里可以看到一種模式 —— 與泛型有關(guān)的很多問題或者折衷并非來(lái)自泛型本身，而是保持和已有代碼兼容的要求帶來(lái)的副作用。
泛化已有的類
在轉(zhuǎn)化現(xiàn)有的庫(kù)類來(lái)使用泛型方面沒有多少技巧，但與平常的情況相同，向后兼容性不會(huì)憑空而來(lái)。我已經(jīng)討論了兩個(gè)例子，其中向后兼容性限制了類庫(kù)的泛化。
另一種不同的泛化方法可能不存在向后兼容問題，這就是 Collections.toArray(Object[])。傳入 toArray() 的數(shù)組有兩個(gè)目的 —— 如果集合足夠小，那么可以將其內(nèi)容直接放在提供的數(shù)組中。否則，利用反射（reflection）創(chuàng)建相同類型的新數(shù)組來(lái)接受結(jié)果。如果從頭開始重寫 Collections 框架，那么很可能傳遞給 Collections.toArray() 的參數(shù)不是一個(gè)數(shù)組，而是一個(gè)類文字：
interface Collection<E> {
public T[] toArray(Class<T super E> elementClass);
}
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因?yàn)?Collections 框架作為良好類設(shè)計(jì)的例子被廣泛效仿，但是它的設(shè)計(jì)受到向后兼容性約束，所以這些地方值得您注意，不要盲目效仿。
首先，常常被混淆的泛型 Collections API 的一個(gè)重要方面是 containsAll()、removeAll() 和 retainAll() 的簽名。您可能認(rèn)為 remove() 和 removeAll() 的簽名應(yīng)該是：
interface Collection<E> {
public boolean remove(E e); // not really
public void removeAll(Collection<? extends E> c); // not really
}
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但實(shí)際上卻是：
interface Collection<E> {
public boolean remove(Object o);
public void removeAll(Collection<?> c);
}
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為什么呢？答案同樣是因?yàn)橄蚝蠹嫒菪浴?code>x.remove(o) 的接口表明“如果 o 包含在 x 中，則刪除它，否則什么也不做。”如果 x 是一個(gè)泛型集合，那么 o 不一定與 x 的類型參數(shù)兼容。如果 removeAll() 被泛化為只有類型兼容時(shí)才能調(diào)用（Collection<? extends E>），那么在泛化之前，合法的代碼序列就會(huì)變得不合法，比如：
// a collection of Integers
Collection c = new HashSet();
// a collection of Objects
Collection r = new HashSet();
c.removeAll(r);
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如果上述片段用直觀的方法泛化（將 c 設(shè)為 Collection<Integer>，r 設(shè)為 Collection<Object>），如果 removeAll() 的簽名要求其參數(shù)為 Collection<? extends E> 而不是 no-op，那么就無(wú)法編譯上面的代碼。泛型類庫(kù)的一個(gè)主要目標(biāo)就是不打破或者改變已有代碼的語(yǔ)義，因此，必須用比從頭重新設(shè)計(jì)泛型所使用類型約束更弱的類型約束來(lái)定義 remove()、removeAll()、retainAll() 和 containsAll()。
在泛型之前設(shè)計(jì)的類可能阻礙了“顯然的”泛型化方法。這種情況下就要像上例這樣進(jìn)行折衷，但是如果從頭設(shè)計(jì)新的泛型類，理解 Java 類庫(kù)中的哪些東西是向后兼容的結(jié)果很有意義，這樣可以避免不適當(dāng)?shù)哪７隆?
擦除的實(shí)現(xiàn)
因?yàn)榉盒突旧隙际窃?Java 編譯器中而不是運(yùn)行庫(kù)中實(shí)現(xiàn)的，所以在生成字節(jié)碼的時(shí)候，差不多所有關(guān)于泛型類型的類型信息都被“擦掉”了。換句話說(shuō)，編譯器生成的代碼與您手工編寫的不用泛型、檢查程序的類型安全后進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換所得到的代碼基本相同。與 C++ 不同，List<Integer> 和 List<String> 是同一個(gè)類（雖然是不同的類型但都是 List<?> 的子類型，與以前的版本相比，在 JDK 5.0 中這是一個(gè)更重要的區(qū)別）。
擦除意味著一個(gè)類不能同時(shí)實(shí)現(xiàn) Comparable<String> 和 Comparable<Number>，因?yàn)槭聦?shí)上兩者都在同一個(gè)接口中，指定同一個(gè) compareTo() 方法。聲明 DecimalString 類以便與 String 與 Number 比較似乎是明智的，但對(duì)于 Java 編譯器來(lái)說(shuō)，這相當(dāng)于對(duì)同一個(gè)方法進(jìn)行了兩次聲明：
public class DecimalString implements Comparable<Number>, Comparable<String> { ... } // nope
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擦除的另一個(gè)后果是，對(duì)泛型類型參數(shù)是用強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換或者 instanceof 毫無(wú)意義。下面的代碼完全不會(huì)改善代碼的類型安全性：
public <T> T naiveCast(T t, Object o) { return (T) o; }
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編譯器僅僅發(fā)出一個(gè)類型未檢查轉(zhuǎn)換警告，因?yàn)樗恢肋@種轉(zhuǎn)換是否安全。naiveCast() 方法實(shí)際上根本不作任何轉(zhuǎn)換，T 直接被替換為 Object，與期望的相反，傳入的對(duì)象被強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為 Object。
擦除也是造成上述構(gòu)造問題的原因，即不能創(chuàng)建泛型類型的對(duì)象，因?yàn)榫幾g器不知道要調(diào)用什么構(gòu)造函數(shù)。如果泛型類需要構(gòu)造用泛型類型參數(shù)來(lái)指定類型的對(duì)象，那么構(gòu)造函數(shù)應(yīng)該接受類文字（Foo.class）并將它們保存起來(lái)，以便通過反射創(chuàng)建實(shí)例。