Java | 关于泛型能问的都在这里了（含Kotlin）

前言

• 泛型（Generic Type） 无论在哪一门语言里，都是最难语法的存在，细节之繁杂、理解之困难，令人切齿；
• 在这个系列里，我将总结 Java & Kotlin 中泛型的知识点，带你从 语法 & 原理 全面理解泛型。追求简单易懂又不失深度，如果能帮上忙，请务必点赞加关注！
• 首先，尝试回答这些面试中容易出现的问题：

1、下列代码中，编译出错的是：
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、泛型的存在是用来解决什么问题？
3、请说明泛型的原理，什么是泛型擦除机制，具体是怎样实现的？

相关文章

• 《Java | 这是一篇全面的注解使用攻略（含 Kotlin）》
• 《Java | 反射：在运行时访问类型信息（含 Kotlin）》
• 《Java | 请概述一下 Class 文件的结构》
• 《Java | 深入理解方法调用的本质（含重载与重写区别）》

目录

1. 泛型基础

• 问：什么是泛型，有什么作用？

答：在定义类、接口和方法时，可以附带类型参数，使其变成泛型类、泛型接口和泛型方法。与非泛型代码相比，使用泛型有三大优点：更健壮（在编译时进行更强的类型检查）、更简洁（消除强转，编译后自动会增加强转）、更通用（代码可适用于多种类型）

• 问：什么是类型擦除机制？

答：泛型本质上是 Javac 编译器的一颗 语法糖 ，这是因为：泛型是 JDK1.5 中引进的新特性，为了 向下兼容 ，Java 虚拟机和 Class 文件并没有提供泛型的支持，而是让编译器擦除 Code 属性中所有的泛型信息，需要注意的是，泛型信息会保留在类常量池的属性中。

• 问：类型擦除的具体步骤？

答：类型擦除发生在编译时，具体分为以下 3 个步骤：

1、擦除所有类型参数信息，如果类型参数是有界的，则将每个参数替换为其第一个边界；如果类型参数是无界的，则将其替换为 Object

2、（必要时）插入类型转换，以保持类型安全

3、（必要时）生成桥接方法以在子类中保留多态性

举个例子：

源码：
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();
---------------------------------------------------------
public class Parent {
    public void func(Object t){
public class Child extends Parent {
    public Number get() {
        return null;
    public void func(Number t) {
    桥方法 - synthetic
    public void func(Object t){
        func((Number)t);
void test() {
    Child<Integer> child = new Child();
    // 插入强制类型转换
    Integer i = (Integer) child.get();
}

步骤1：Parent 中的类型参数 T 被擦除为 Object，而 Child 中的类型参数 T 被擦除为 Number；

步骤2：child.get(); 插入了强制类型转换

步骤3：在 Child 中生成桥方法，桥方法是编译器生成的，所以会带有 synthetic 标志位。为什么子类中需要增加桥方法呢，可以先思考这个问题：假如没有桥方法，会怎么样？你可以看看下列代码调用的是子类还是父类方法：

Parent<Integer> child = new Child<>();
Parent<Integer> parent = new Parent<>();
child.func(new Object()); // Parent#func(Object); 
parent.func(new Object()); // Parent#func(Object); 

这两句代码都会调用到 Parent#func()，如果你看过之前我写过的一篇文章，相信难不到你：[《Java | 深入理解方法调用的本质（含重载与重写区别）》]( Java | 深入理解方法调用的本质（含重载与重写区别） )。在这里我简单分析下：

1、方法调用的本质是根据方法的符号引用确定方法的直接引用（入口地址）
2、这两句代码调用的方法符号引用为：
child.func(1) => com/xurui/Child.func(Object)
parent.func(1) => com/xurui/Parent.func(Object)
3、这两句方法调用的字节码指令为 invokevirtual
4、类加载解析阶段解析类的继承关系，生成类的虚方法表
5、调用阶段（动态分派）：
Child 没有重写 func(Object)，所以 Child 的虚方法表中存储的是Parent#func(Object)；
Parent 的虚方法表中存储的是Parent#func(Object);

可以看到，即使使用对象的实际类型为 Child ，这里调用的依旧是父类的方法，这样就 失去了多态性 。因此，才需要在泛型子类中添加桥方法。

问：为什么擦除后，反编译还是看到类型参数 T ？

反编译Parent.class，可以看到 T ，不是已经擦除了吗？
public class Parent<T> {
    public Parent() {
    public void func(T t) {
}

答：泛型中所谓的类型擦除，其实只是擦除 Code 属性 中的泛型信息，在类常量池属性（Signature属性、LocalVariableTypeTable属性）中其实还保留着泛型信息，这也是在运行时可以反射获取泛型信息的根本依据，我在第 4 节说。

• 问：泛型的限制 & 类型擦除会带来什么影响？

由于类型擦除的影响，在运行期是不清楚类型实参的实际类型的。为了避免程序的运行结果与程序员语义不一致的情况，泛型在使用上存在一些限制。好处是类型擦除不会为每种参数化类型创建新的类，因此泛型不会增大内存消耗。

2. Kotlin的实化类型参数

前面我们提到，由于类型擦除的影响，在运行期是不清楚类型实参的实际类型的。例如下面的代码是不合法的，因为 T 并不是一个真正的类型，而仅仅是一个符号：

在这个函数里，我们传入一个List，企图从中过滤出 T 类型的元素：
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，有一种方法可以突破这种限制，即： 带实化类型参数的内联函数 ：

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
}

关键在于 inline 和 reified ，这两者的语义是：

• inline （内联函数）： Kotlin编译器将内联函数的字节码插入到每一次调用方法的地方
• reified （实化类型参数）： 在插入的字节码中，使用类型实参的确切类型代替类型实参

规则很好理解，对吧。很明显，当发生方法内联时，方法体字节码就变成了：

调用：
val list = listOf("", 1, false)
val strList = filter<String>(list)
---------------------------------------------------
val result = ArrayList<String>()
for (e in list) {
    if (e is String) {
        result.add(e)
}

需要注意的是，内联函数整个方法体字节码会被插入到调用位置，因此控制内联函数体的大小。如果函数体过大，应该将不依赖于 T 的代码抽取到单独的非内联函数中。

注意，无法从 Java 代码里调用带实化类型参数的内联函数

实化类型参数的另一个妙用是代替 Class 对象引用 ，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)
context.startActivity(MainActivity::class.java)
context.startActivity<MainActivity>() // 第二种方式会简化一些

3. 变型：协变 & 逆变 & 不变

变型（Variant）描述的是相同原始类型的不同参数化类型之间的关系 。说起来有点绕，其实就是说： Integer 是 Number 的子类型，问你 List<Integer> 是不是 List<Number> 的子类型？

变型的种类具体分为三种：协变型 & 逆变型 & 不变型

• 协变型（covariant）： 子类型关系被保留
• 逆变型（contravariant）： 子类型关系被翻转
• 不变型（invariant）： 子类型关系被消除

在 Java 中， 类型参数默认是不变型的 ，例如：

List<Number> l1;
List<Integer> l2 = new ArrayList<>();
l1 = l2; // compiler error

相比之下， 数组是支持协变型的：

Number[] nums;
Integer[] ints = new Integer[10]; 
nums = ints; // OK 协变，子类型关系被保留

那么，当我们需要将 List<Integer> 类型的对象，赋值给 List<Number> 类型的引用时，应该怎么做呢？这个时候我们需要 限定通配符 ：

• <? extends> 上界通配符

要想类型参数支持协变，需要使用上界通配符，例如：

List<? extends Number> l1;
List<Integer> l2 = new ArrayList<>();
l1 = l2; // OK

但是这会引入一个编译时限制：不能调用参数包含类型参数 E 的方法，也不能设置类型参数的字段，简单来说，就是 只能访问不能修改（非严格）：

// ArrayList.java
public boolean add(E e) {
l1.add(1); // compiler error

• <? super> 下界通配符

要想类型参数支持逆变，需要使用下界通配符，例如：

List<? super Integer> l1;
List<Number> l2 = new ArrayList<>();
l1 = l2; // OK

同样，这也会引入一个编译时限制，但是与协变相反：不能调用返回值为类型参数的方法，也不能访问类型参数的字段，简单来说，就是 只能修改不能访问（非严格）：

// ArrayList.java
public E get(int index) {
Integer i = l1.get(0); // compiler error

- <?> 无界通配符

其实很简单，很多资料其实都解释得过于复杂了。 <?> 其实就是 <? extends Object> 的缩写 ，就是这样，没了，例如：

List<?> l1;
List<Integer> l2 = new ArrayList<>();
l1 = l2; // OK

理解了这点，这个问题就很好回答了：

• 问：List 与 List<?>有什么区别？

答：List 是原生类型，可以添加或访问元素，不具备编译期安全性，而 List<?> 其实是 List<? extends Object>的缩写，是协变型的（可引出协变型的特点与限制）；从语义上，List<?> 表明使用者清楚变量是类型安全的，而不是因为疏忽而使用了原生类型 List。

在 Kotlin 中，变型写法会有些不同，但是语义是完全一样的：

协变：
val l0: MutableList<*> 相当于MutableList<out Any?>
val l1: MutableList<out Number>
val l2 = ArrayList<Int>()
l0 = l2 // OK
l1 = l2 // OK
---------------------------------------------------