Java数据结构 (泛型第二节) 泛型擦除机制/泛型的限制/上界下界

书接上回：Java数据结构 (泛型第一节) 为什么要有泛型/泛型语法/泛型方法-CSDN博客

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目录

1. 为什么要有擦除机制？

2. 类型擦除的工作原理

2.1 泛型类的类型擦除

2.2 泛型方法的类型擦除

3. 泛型的上界与下界

3.1 指定上界的泛型

4. 类型擦除带来的限制

4.1 无法创建泛型数组

4.2 无法使用 instanceof 检查泛型类型

4.3 无法创建泛型实例

1. 为什么要有擦除机制？

Java 在 1.5 版本引入了泛型，但 Java 语言的设计理念是保证向下兼容。这意味着即使引入了泛型，Java 程序仍然要能够与不使用泛型的老版本代码（比如 Java 1.4 及更早的代码）兼容。为了实现这一点，Java 的泛型设计为在编译时执行类型检查，而在运行时完全去除泛型信息。这种机制被称为类型擦除。

如果没有类型擦除机制，使用泛型的 Java 程序在运行时将需要处理更多的类型信息，这可能会导致与现有 Java 代码的兼容性问题，并且会增加运行时的复杂性。

2. 类型擦除的工作原理

泛型的类型参数 T 在编译后会被替换为其上界（Upper Bound），如果没有指定上界，则默认为 Object。编译器会在编译时插入必要的类型转换代码，以确保类型安全。

2.1 泛型类的类型擦除

示例代码：

public class Box<T> {
    private T value;

    public void setValue(T value) {
        this.value = value;
    }

    public T getValue() {
        return value;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Box<String> box = new Box<>();
        box.setValue("Hello");
        String value = box.getValue();
        System.out.println(value);  // 输出: Hello
    }
}

编译时类型擦除后的代码：

public class Box {
    private Object value;  // T 被替换为 Object

    public void setValue(Object value) {
        this.value = value;
    }

    public Object getValue() {
        return value;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Box box = new Box();
        box.setValue("Hello");
        String value = (String) box.getValue();  // 编译器自动插入类型转换
        System.out.println(value);  // 输出: Hello
    }
}

解释：

• 在编译后的代码中，泛型类型 T 被擦除为 Object，这就是类型擦除的工作方式。
• 在运行时，Box 类实际上只保存了 Object 类型，而不是 String 类型。
• 编译器自动插入了类型转换 (String) box.getValue()，以保证类型安全。

2.2 泛型方法的类型擦除

泛型方法示例：

public static <T> void printArray(T[] array) {
    for (T element : array) {
        System.out.println(element);
    }
}

编译时类型擦除后的代码：

public static void printArray(Object[] array) {  // T 被擦除为 Object
    for (Object element : array) {
        System.out.println(element);
    }
}

解释：

• 在泛型方法的编译后，类型参数 T 被替换为了 Object，这意味着在运行时，方法 printArray 接受的参数类型就是 Object[]，而不再区分具体的泛型类型。

3. 泛型的上界与下界

当泛型类或方法定义了类型边界时，类型擦除后泛型类型会被替换为其上界。如果没有指定上界，则替换为 Object。

3.1 指定上界的泛型

代码示例：

public class NumberBox<T extends Number> {  // T 的上界是 Number
    private T value;

    public void setValue(T value) {
        this.value = value;
    }

    public T getValue() {
        return value;
    }
}

编译后的代码：

public class NumberBox {
    private Number value;  // T 被替换为 Number

    public void setValue(Number value) {
        this.value = value;
    }

    public Number getValue() {
        return value;
    }
}

解释：

• 在编译后，泛型类型 T 被替换为了 Number，因为在定义时我们指定了 T extends Number，即 T 的上界是 Number。
• 这意味着编译后的 NumberBox 类可以接受任何 Number 类型的子类对象（如 Integer, Double），但所有泛型信息在运行时都被擦除了。

4. 类型擦除带来的限制

由于泛型的类型擦除机制，Java 中的泛型有一些限制。以下是类型擦除带来的一些常见问题：

4.1 无法创建泛型数组

由于类型擦除，泛型类型在运行时被擦除为 Object，因此 Java 不允许直接创建泛型数组。因为在运行时无法知道数组元素的具体类型。

T[] array = new T[10];  // 错误：不能创建泛型数组

解决方案： 可以通过强制类型转换来创建泛型数组，使用 Object[] 来存储泛型类型。

T[] array = (T[]) new Object[10];  // 通过类型转换创建泛型数组

但这种方式会导致编译器发出未经检查的转换警告，因为无法在运行时确定数组的实际类型。

4.2 无法使用 instanceof 检查泛型类型

由于泛型在运行时被擦除为 Object，所以不能使用 instanceof 检查泛型类型。

错误示例：

if (obj instanceof T) {  // 错误，无法进行泛型类型检查
    // ...
}

解决方案： 可以通过检查擦除后的类型来替代 instanceof，比如使用泛型的上界。

if (obj instanceof Number) {  // T extends Number，可以检查 Number 类型
    // ...
}

4.3 无法创建泛型实例

由于泛型在运行时类型被擦除为 Object 或其上界，因此不能在类中直接创建泛型类型的实例。

错误示例：

T obj = new T();  // 错误：无法实例化泛型类型

解决方案： 可以通过传递一个类的引用（Class<T> 对象）来间接创建泛型对象。

示例：

class Box<T> {
    private T value;

    public Box(Class<T> clazz) throws IllegalAccessException, InstantiationException {
        // 使用传递的 Class 对象创建泛型实例
        this.value = clazz.newInstance();
    }
}

面试题目:

1. 为什么 T[] ts = new T[5]; 是不对的？为什么不能直接创建泛型数组？

问题：
既然在编译时泛型 T 会被替换为 Object，为什么 T[] ts = new T[5]; 不能写成类似于 Object[] ts = new Object[5];？

答案解析：

泛型的类型擦除机制并不能直接与数组创建的机制兼容，因为数组在 Java 中具有 "协变性"（covariant）。这意味着，如果 Integer[] 是 Object[] 的子类型，那么可以将 Integer[] 赋值给 Object[] 类型的变量。这会导致潜在的类型安全问题，尤其是在数组的运行时类型检查过程中，泛型类型擦除与数组的运行时行为产生了冲突。

解决方案：
可以通过创建 Object[] 数组并进行类型转换的方式间接创建泛型数组，但这会发出未经检查的类型转换警告。

1. 数组的运行时类型检查：数组在 Java 中保留其类型信息，并且能够在运行时进行类型检查。如果尝试在运行时向 Object[] 数组中插入不兼容的元素，Java 会抛出 ArrayStoreException，因为数组知道自己是存储哪种类型的对象的。

   例如：

   Object[] objects = new Integer[5];
   objects[0] = "Hello";  // 运行时会抛出 ArrayStoreException
   

2. 泛型的类型擦除：Java 的泛型在编译时擦除类型信息，所以如果我们能够创建 T[] ts = new T[5];，编译器无法确保数组的类型安全，因为擦除后 T 被替换为了 Object。这意味着我们无法在运行时对数组的元素类型进行检查，可能会导致数组元素的类型与数组声明的类型不匹配。

具体原因总结：

• 数组需要在运行时保留类型信息，而泛型在运行时会被擦除为 Object，因此创建泛型数组无法保证类型安全。
• 如果允许 T[] 创建，会导致运行时无法检查数组的实际类型，可能会导致 ArrayStoreException。

解决方案：
可以通过创建 Object[] 数组并进行类型转换的方式间接创建泛型数组，但这会发出未经检查的类型转换警告。

@SuppressWarnings("unchecked")
T[] array = (T[]) new Object[5];  // 警告：未经检查的类型转换

2. 类型擦除一定是把 T 变成 Object 吗？

问题：
在类型擦除过程中，泛型 T 是否总是被擦除为 Object？

答案解析：

不一定。泛型 T 在类型擦除过程中，会根据类型参数的上界来进行替换。如果没有指定上界，那么 T 会被替换为 Object；但如果有上界，T 会被替换为它的上界类型。

1. 无上界的类型擦除：当 T 没有上界时，T 会被擦除为 Object。

class Box<T> {
    private T value;

    public void setValue(T value) {
        this.value = value;
    }

    public T getValue() {
        return value;
    }
}

        经过类型擦除后：

class Box {
    private Object value;  // T 被擦除为 Object

    public void setValue(Object value) {
        this.value = value;
    }

    public Object getValue() {
        return value;
    }
}

有上界的类型擦除：如果 T 有上界，例如 T extends Number，那么在类型擦除时，T 会被替换为 Number。

代码示例：

class Box<T extends Number> {
    private T value;

    public void setValue(T value) {
        this.value = value;
    }

    public T getValue() {
        return value;
    }
}

经过类型擦除后：

class Box {
    private Number value;  // T 被擦除为 Number

    public void setValue(Number value) {
        this.value = value;
    }

    public Number getValue() {
        return value;
    }
}

总结：

• 无上界泛型 T：擦除为 Object。
• 有上界泛型 T：擦除为其上界类型。