Java语言与Generics

2019-11-18 14:15:49

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内容：

一 Generics简介
二 Generics与java语言的发展
三 Java中Generics的使用
四 Generics的设计和实现
五结论
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欧阳辰 (yeekee@sina.com)

一 Generics简介
Generics是程序设计语言的一种技术，指将程序中数据类型进行参数化，它本质上是对程序的数据类型进行一次抽象，扩展语言的表达能力，同时支持更大粒度的代码复用。对于一些数据类型参数化的类和方法来说，它们往往具有更好的可读性、可复用性和可靠性。在设计集合类和它们的抽象操作时，往往需要将它们定义为与具体数据类型无关，在这种情况下，使用Generics就是非常适合的。举例来说，假如我们需要设计一个Stack类，有时需要元素为int类型的Stack，有时可能需要元素为Boolean或者Object类型的Stack。假如不使用Generics，我们通常需要定义不同的多个类，或者通过继续来实现。通过继续实现往往引起数据类型的转换问题，本文稍后对其进行分析。假如使用Generics技术，将Stack的元素类型进行参数化，那么Stack类的只需要实现一个版本，当需要某元素类型的Stack时，可以将类型作为参数来创建Stack对象。

二Generics与Java语言的发展
Generics技术很早就被提出来了，但是Generics的实现和推广并非一帆风顺。这是因为Generics对语言规范的修改较大，对于编译技术要求也较高，另外，90年代，所有语言都在积极扩展面向对象技术，并没有太多时间关注Generics。到目前为止，只少量语言支持Generics，例如Ada, C++, Eiffel等。在C++中， Template被用来现实Generics，同时C++还提供了标准模板库(STL，Standard Template Library)供开发人员使用，极大提高了编程的效率，因此Generics经常又被混称作Template。

但是，到目前JDK1.4.1为止，Java语言不支持Generics。目前，对于数据类型的参数化，Java不能够直接实现，而是通常采用继续方式间接实现。由于Java中，所有类都是Object的子类，因此假如需要支持多种类型时，我们可以将类型定义为Object，在使用的时候，可以通过父类和子类进行相互转化来实现。以上面的Stack为例，我们可以将Stack的类型定义为Object类型，那么所有的Java对象都可以放在这个Stack中，在存取对象时候，我们可以将对象强行转化成所需要的类型。但是，这种方式也会带来一些问题。

编译时，类型检查较为宽松，很多问题只有运行时候才能发现
很难实现复杂的类型参数化，缺少表达能力
增加使用者的麻烦，使用者需要对数据类型进行手工转换，并且进行类型检查
由于Java区分Object和基本类型，因此这种方式不轻易支持基本类型。

虽然当前Java语言规范并不支持Generics，但是一些组织和个人通过扩展Java语言的方式来实现Generics，其中比较闻名的有GJ，PolyJ和NextGen。Java语言标准的制定组织Java Community PRocess(JCP)也早已收到关于在Java语言中支持Generics的建议，并且一直在讨论是否在Java语言支持Generics。其中，一个比较重要的里程碑是Gilad Bracha博士等在2001年提出的提议。

Generics的实现对于Java语言本身、Class文件格式和JVM构造都有较大的影响；另外，Generics在C++中的实现也存在一些问题，这些问题都应该在Java中尽量避免，最后，还有一部分人认为Generics的引入会损失Java语言的简洁性。基于这些考虑，目前Java语言仍然不能够支持Generics，但是根据一些相关人员的预计，2003年年底推出JDK1.5很可能要支持Generics。

三Java中Generics的使用
在这一章中，我们将预览一些Java的Generics的用法，虽然这些技术并没有正式推出，但是根据Java Generics提议的草稿版本来看，这些用法都比较稳定且成熟，预计它们与正式规范不会有太大差别。另外，这些Generics程序通过专用的编译器，可以转换成兼容的Java类文件，并且可以在以前的JRE环境下运行，保证了向前兼容。本章节的部分内容来自Java语言Generics提议的草稿版本，另外一些例子也参考了GJ的运行结果。

1) Generics的定义：
为了使用Generics，首先必须定义支持Generics的类，接口或者方法，它与C++语言的模板的语法类似。<>用于包含参数化类型，参数化类型用Java标识符标识表示，通常使用大写字母，例如T，A，B等。

1.1) 类和接口定义
以下是最简单的Generics类定义，定义了一个参数化类型T1：
interface MyList<T1> {….. }

以下是支持多个参数化类型的接口：
interface MyList<T1,T2,T3> {….. }

Java支持带有限制的参数化类型，这意味着在构造该类对象的时候，实际类型必须满足限制条件。在下面的例子中，T1的类型必须实现类Comparable接口，T2类型必须为Component类的子类，否则将构造失败。这些限制检查工作通常在编译的时候就可以进行。
interface MyList<T1 implements Comparable, T2 extends Component> {}

复杂的定义可以带有限定的声明，甚至可以使用向前引用。
class Test<A implements ConvertibleTo<B>, B implements ConvertibleTo<A>{}

对于class的定义，基本与interface相同，此处不再详述。

1.2) 方法的定义
在方法中，通过定义参数化类型，可以提高方法的抽象级别，提高其可复用性。方法的参数化类型列表放在方法修饰符的后面，返回值的前面。在方法的参数中和方法体中，就可以直接使用参数化类型了。以下就是一个方法的例子。

public static <Elem> void swap(Elem[] a,int i,int j)
Elem temp=a[i];
a[i]=a[j]
a[j]=temp;
}

带限定的Generics方法定义例子。

public static <Elem implements Comparable> void swap(Elem[] a,int I,int j)
Elem temp=a[i];
a[i]=a[j]
a[j]=temp;
}

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1.3) 实际例子
一但Java语言支持了Generics，Collection中的大部分类将用Generics方式重写，事实上，在一些支持Generics的Java扩展中，这些类已经被重写了。现在我们给出一个GJ中，使用Generics重写的Hashtable的定义。

public class Hashtable<K,V>
extends Dictionary<K,V>
implements Map<K,V>, java.lang.Cloneable, java.io.Serializable {
public V put(K key, V value) {……}
…….
}

与以前的Hashtable定义不同的是，它增加了两个用于表达Key和Value参数化类型(K,V)，由于Dictionary和Map都将支持Generics，因此它们都使用Generics的表达方式。

2) Generics的使用：

2.1) 创建对象
Generics类在使用之前，必须按照定义进行初始化，设置参数化类型的实际类型，以下是构造Hashtable和Vector的一些例子。

Hashtable<Integer,String> ht1=new Hashtable<Integer,String>();
Hashtable<Integer,String> ht2=null;
Vector<String> v1=new Vector<String>();
Vector<Integer> v2=new Vector<Integer>();

2.2) Generics对象的类
在上例中，对于v1和v2对象来说，它们都是Vector类的对象，它们有相同的Class类型，换句话说，在运行时，以下表达式为真。虽然它们使用不同的参数类型创建，但是它们的Class类型是相同的。
Assert(V1.getClass().equals(v2.getClass()));

但是，假如我们定义一个带有Vector<String>参数的方法，在调用该方法时，传入一个Vector<Integer>的对象，这将会导致编译失败。这是因为在编译时，这两个对象被当作不同的类型。

void method(Vector<String> v) {};
…
Vector<Integer> v2=new Vector<Integer>();
method(v2);//编译失败

2.3) 类型检查
在构造一个Generics对象时，编译器将首先检查参数化类型是否有效，例如是否满足限制条件等，确定所有参数化类型，然后编译器将在使用这些参数化类型的地方进行类型检查，假如符合定义，那么编译通过，否则将编译失败，报告类型检查错误。因此，通过这种方式，编译器可以检查出很多类型不匹配的错误，避免开发人员的错误，这也是Generics的重要优点之一。以下是类型检查的一些例子：

Vector<String> strvector=new Vector<String>();
Vector<Integer> intvector=new Vector<Integer>();
strvector.add(new String());//OK
strvector.add(new Object());//编译失败，需要String类
strvector.add(new Integer());//编译失败，需要String类
intvector.add(new Integer());//OK
intvector.add(new String());//编译失败，需要Integer类

2.4) 类的强制转换
对于Generics类的强制转化的原理，我们可以使用通用的转化规则进行操作。需要注重的一点是，同一个Generics类所定义的不同参数化类型的对象之间是不能进行转化的。例如Vector<Object>和Vector<String>之间就是不能转化的。另外，Object也不能够转化成Generics类型，但是Generics类可以转化成Object。

以下是一些转化的例子

Class Dictionary<A,B> extends Object{}
Class Hashtable<A,B> extends Dictionary<A,B> {}
Dictionary<String,Integer> d=new Dictionary<String,Integer>();
Hashtable<String,Integer> h=new Hashtable <String,Integer>();
Hashtable<Float,Double> hfd=new Hashtable<Float,Double>();
Object o=new Object();
1) d= (Dictionary<String,Integer>)h//编译成功，运行成功；它们具有父子类关系。
2) h=(Hashtable<String,Integer>)d;// 编译成功，运行失败；它们具有父子类关系。
3) h=(Hashtable<String,Integer>)o;//编译失败，Object不能转化成Generics类；
4) hfd=(Hashtable<Float,Double>)d;//编译失败；

四Generics的设计和实现

1) Java的Generics与C++的Template
由于Java的Generics设计在C++的Template之后，因此Java的Generics设计吸取Template的很多经验和教训，非凡是Generics避免了一些Template已知的一些问题。首先，与Template不同的是，Generics的声明是需要进行类型检查的，而Template不提供这一功能，这使得Generics的使用更加安全。另外，Java的Generics程序只需要编译一次，以后所有程序就可以复用这个类字节码，而Template的实现是为每一个使用Template变量编译成一个新类，这会引起一定的冗余代码。

2) Generics的实现方案
Generics Java目前有很多不同的实现，比较闻名的有GJ，PolyJ和NextGen。其中，GJ(Generic Java)是Gilad Bracha博士等设计和开发的支持Generics的Java编译器，它是较早，且较全面的Generics的解决方案，实际上，GJ是目前Java语言的一个扩展，主要对编译器进行了扩展，以支持带有Generics 的Java 程序。

GJ的工作原理本质上就是消除程序中的Generics语法，并将其转化成等价的无Generics的程序，这样编译的结果就是传统的类字节码，它们可以在传统的JVM中的运行，保证了向前兼容。编译的过程就是将所有参数化类型的变量都替换为Object，通过这种方式消除所有的参数化类型。由于Java中，所有对象都可以转换程Object的对象，因此通过这种方式可以消除参数化类型，但这种方法也有一个问题，那就是无法处理基本类型，因为Object与基本类型无法相互转换。在消除了参数化类型后，在适当的地方还需要加上一些类型检查和转化语句。

例如Stack类的Generics源程序可能如下表示：

public class Stack<A> {
public void push(A elem){…. }
public A pop(){…..}
}

经过GJ改写后，程序将变为如下：

public class Stack {
public void push(Object elem){….}
public Object pop(){….}
}

在使用Generics类的时候，我们首先设置参数化类型的值，在下例子我们传入Button类型。

Stack<Button> s = new Stack<Button>();
Button b = new Button("OK");
s.push(b);
b=s.pop();

GJ在编译以上代码时，在消除<>后，首先需要检查b是否能够转换成Button，假如b不能够转换成Button，编译器将报类型转化错误。同时，在pop方法的返回值处，我们需要将Object类型显式转换为Button类型。以下就是GJ转化的结果；

Stack s = new Stack();
Button b = new Button("b");
s.push(b);
b=(Button)s.pop();

以上只描述了一些基本原理，在真正的实现中，GJ还需要处理继续，约束和类型转换等复杂问题。从实现的效果来看，GJ是非常成功地支持了Generics，并且提供了通过Generics改写的java.utils.collection包。更多的实现技术，请参考相关资料。

五结论
Generics的出现将改变一些Java程序员的编程风格，以往所有不确定类型的对象都被定义为Object，需要使用对象时，通过强制类型转化获取，而Generics的出现将可用于治理一些类型抽象的类，让编译器来检查更多的类型匹配的问题，以减轻程序员的负担。但同时，Generics的引入，增加了Java程序的抽象程度，增加程序理解的难度。

相关资料：

Gilad Bracha, Norman Cohen,Christian Kemper etc, Adding Generics to the Java Programming Language Participant draft Specification, 2001,
http://java.sun.com/aboutJava/communityprocess/review/jsr014/
Paul Mingardi, Prepari8java.sun.com/developer/technicalArticles/releases/generics/">http://developer.java.sun.com/developer/technicalArticles/releases/generics/
Keith Turner, Catching more errors at compile time with Generic Java，IBM DeveloperWorks ，2001
http://www-106.ibm.com/developerworks/library/j-genjava.Html
Generic Java (GJ)
http://www.research.avayalabs.com/user/wadler/gj/

关于作者
欧阳辰，2001年毕业于北京大学计算机系，获硕士学位，SCJP(Sun Certificated Java Programmer)，现任某公司软件工程师，长期从事java软件的研究和开发工作，已发表多篇Java相关的技术文章。联系方式yeekee@sina.com

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