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詳解Java 中泛型的實(shí)現(xiàn)原理

更新時(shí)間：2021年03月03日 14:41:12 作者：robothy

這篇文章主要介紹了詳解Java 中泛型的實(shí)現(xiàn)原理，幫助大家更好的理解和學(xué)習(xí)使用Java，感興趣的朋友可以了解下

泛型

泛型的本質(zhì)是對(duì)類型進(jìn)行參數(shù)化，在代碼邏輯不關(guān)注具體的數(shù)據(jù)類型時(shí)使用。例如：實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用的排序算法，此時(shí)關(guān)注的是算法本身，而非排序的對(duì)象的類型。

泛型方法

如下定義了一個(gè)泛型方法，聲明了一個(gè)類型變量，它可以應(yīng)用于參數(shù)，返回值，和方法內(nèi)的代碼邏輯。

class GenericMethod{
 public <T> T[] sort(T[] elements){
  return elements;
 }
}

泛型類

與泛型方法類似，泛型類也需要聲明類型變量，只不過位置放在了類名后面，作用的范圍包括了當(dāng)前中的成員變量類型，方法參數(shù)類型，方法返回類型，以及方法內(nèi)的代碼中。

子類繼承泛型類時(shí)或者實(shí)例化泛型類的對(duì)象時(shí)，需要指定具體的參數(shù)類型或者聲明一個(gè)參數(shù)變量。如下，SubGenericClass 繼承了泛型類 GenericClass，其中類型變量 ID 的值為 Integer，同時(shí)子類聲明了另一個(gè)類型變量 E，并將E 填入了父類聲明的 T 中。

class GenericClass<ID, T>{
 
}

class SubGenericClass<T> extends GenericClass<Integer, T>{
 
}

泛型接口

泛型接口與泛型類類似，也需要在接口名后面聲明類型變量，作用于接口中的抽象方法返回類型和參數(shù)類型。子類在實(shí)現(xiàn)泛型接口時(shí)需要填入具體的數(shù)據(jù)類型或者填入子類聲明的類型變量。

interface GenericInterface<T> {
 T append(T seg);
}

泛型的基本原理

泛型本質(zhì)是將數(shù)據(jù)類型參數(shù)化，它通過擦除的方式來實(shí)現(xiàn)。聲明了泛型的 .java 源代碼，在編譯生成 .class 文件之后，泛型相關(guān)的信息就消失了?？梢哉J(rèn)為，源代碼中泛型相關(guān)的信息，就是提供給編譯器用的。泛型信息對(duì) Java 編譯器可以見，對(duì) Java 虛擬機(jī)不可見。

Java 編譯器通過如下方式實(shí)現(xiàn)擦除：

用 Object 或者界定類型替代泛型，產(chǎn)生的字節(jié)碼中只包含了原始的類，接口和方法；
在恰當(dāng)?shù)奈恢貌迦霃?qiáng)制轉(zhuǎn)換代碼來確保類型安全；
在繼承了泛型類或接口的類中插入橋接方法來保留多態(tài)性。

Java 官方文檔原文

Replace all type parameters in generic types with their bounds or Object if the type parameters are unbounded. The produced bytecode, therefore, contains only ordinary classes, interfaces, and methods.
Insert type casts if necessary to preserve type safety.
Generate bridge methods to preserve polymorphism in extended generic types.

下面通過具體代碼來說明 Java 中的類型擦除。

實(shí)驗(yàn)原理：先用 javac 將 .java 文件編譯成 .class 文件，再使用反編譯工具 jad 將 .class 文件反編成回 Java 代碼，反編譯出來的 Java 代碼內(nèi)容反映的即為 .class 文件中的信息。

如下源代碼，定義 User 類，實(shí)現(xiàn)了 Comparable 接口，類型參數(shù)填入 User，實(shí)現(xiàn) compareTo 方法。

class User implements Comparable<User> {
 String name;
	
 public int compareTo(User other){
  return this.name.compareTo(other.name);
 }
}

JDK 中 Comparable 接口源碼內(nèi)容如下：

package java.lang;
public interface Comparable<T>{
 int compareTo(T o);
}

我們首先反編譯它的接口，Comparable 接口的字節(jié)碼文件，可以在 $JRE_HOME/lib/rt.jar 中找到，將它復(fù)制到某個(gè)目錄。使用 jad.exe（需要另外安裝）反編譯這個(gè) Comparable.class 文件。

$ jad Comparable.class

反編譯出來的內(nèi)容放在 Comparable.jad 文件中，文件內(nèi)容如下：

// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3)
// Source File Name: Comparable.java

package java.lang;

// Referenced classes of package java.lang:
//   Object

public interface Comparable
{

 public abstract int compareTo(Object obj);
}

對(duì)比源代碼 Comparable.java 和反編譯代碼 Comparable.jad 的內(nèi)容不難發(fā)現(xiàn)，反編譯之后的內(nèi)容中已經(jīng)沒有了類型變量 T 。compareTo 方法中的參數(shù)類型 T 也被替換成了 Object。這就符合上面提到的第 1 條擦除原則。這里演示的是用 Object 替換類型參數(shù)，使用界定類型替換類型參數(shù)的例子可以反編譯一下 Collections.class 試試，里面使用了大量的泛型。

使用 javac.exe 將 User.java 編譯成 .class 文件，然后使用 jad 將 .class 文件反編譯成 Java 代碼。

$ javac User.java
$ jad User.class

User.jad 文件內(nèi)容如下：

// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3)
// Source File Name: User.java


class User
 implements Comparable
{

 User()
 {
 }

 public int compareTo(User user)
 {
  return name.compareTo(user.name);
 }

 // 橋接方法
 public volatile int compareTo(Object obj)
 {
  return compareTo((User)obj);
 }

 String name;
}

對(duì)比編輯的源代碼 User.java 和反編譯出來的代碼 User.jad，容易發(fā)現(xiàn)：類型參數(shù)沒有了，多了一個(gè)無(wú)參構(gòu)造方法，多了一個(gè) compareTo(Object obj) 方法，這個(gè)就是橋接方法，還可以發(fā)現(xiàn)參數(shù) obj 被強(qiáng)轉(zhuǎn)成 User 再傳入 compareTo(User user) 方法。通過這些內(nèi)容可以看到擦除規(guī)則 2 和規(guī)則 3 的實(shí)現(xiàn)方式。

強(qiáng)轉(zhuǎn)規(guī)則比較好理解，因?yàn)榉盒捅惶鎿Q成了 Object，要調(diào)用具體類型的方法或者成員變量，當(dāng)然需要先強(qiáng)轉(zhuǎn)成具體類型才能使用。那么插入的橋接方法該如何理解呢？

如果我們只按照下面方式去使用 User 類，這樣確實(shí)不需要參數(shù)類型為 Object 的橋接方法。

User user = new User();
User other = new User();
user.comparetTo(other);

但是，Java 中的多態(tài)特性允許我們使用一個(gè)父類或者接口的引用指向一個(gè)子類對(duì)象。

Comparable<User> user = new User();

而按照 Object 替換泛型參數(shù)原則，Comparable 接口中只有 compareTo(Object) 方法，假設(shè)沒有橋接方法，顯然如下代碼是不能運(yùn)行的。所以 Java 編譯器需要為子類（泛型類的子類或泛型接口的實(shí)現(xiàn)類）中使用了泛型的方法額外生成一個(gè)橋接方法，通過這個(gè)方法來保證 Java 中的多態(tài)特性。

Comparable<User> user = new User();
Object other = new User();
user.compareTo(other);

而普通類中的泛型方法在進(jìn)行類型擦除時(shí)不會(huì)產(chǎn)生橋接方法。例如：

class Dog{
 <T> void eat(T[] food){
 }
}

類型擦除之后變成了：

class Dog
{

 Dog()
 {
 }

 void eat(Object aobj[])
 {
 }
}

小結(jié)

Java 中的泛型有 3 種形式，泛型方法，泛型類，泛型接口。Java 通過在編譯時(shí)類型擦除的方式來實(shí)現(xiàn)泛型。擦除時(shí)使用 Object 或者界定類型替代泛型，同時(shí)在要調(diào)用具體類型方法或者成員變量的時(shí)候插入強(qiáng)轉(zhuǎn)代碼，為了保證多態(tài)特性，Java 編譯器還會(huì)為泛型類的子類生成橋接方法。類型信息在編譯階段被擦除之后，程序在運(yùn)行期間無(wú)法獲取類型參數(shù)所對(duì)應(yīng)的具體類型。