摘要：本文阐述了Java中泛型的概念和特点，介绍了简单泛型创建和使用，探讨了泛型应用中存在的陷井。泛型最重要的特点是类型安全，泛型还可以消除类型转换等。泛型的创建和使用比较简单，但在使用中存在一定的陷阱，需要引起程序员的注意。
　　关键词：泛型；类型安全；类型通配符
　　中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)06-11612-03
　　
　　1 前言
　　1.1泛型概念
　　Java 程序员经常会遇到使人头疼的问题――将表达式向下类型转换为比其静态类型更为具体的数据类型，这种类型转换给编程人员带来了极大的不便，同时也容易引入错误。比如，集合（Collection）中元素的类型可以是多种多样的，有些元素是Boolean 类型的，而有些则可能是Integer类型的，等等。Java 语言之所以支持多种类型元素的集合，是因为它允许程序员构建一个元素类型为Object 的 Collection。当使用Collection 时，程序员经常要做的一件事情就是强制类型转换，当转换成所需的类型以后，再对它们进行处理。在很多Java 应用中，上述情况非常普遍，为了解决这个问题，使Java 语言变得更加安全好用，Sun公司在其发布的JDK 5.0版本中引入了“泛型”这一新特性。
　　泛型其实就是参数化类型，也就是把类型作为参数进行定义。泛型可以很好地解决Java中的类型转换失败的问题。我们来看两个例子。
　　例1：不用泛型技术的例子。
　　(1)import java.util.ArrayList;
　　(2)public class MyCollection{
　　(3)public static void main(String[]args)｛
　　(4)ArrayList myStr=new ArrayList();
　　(5)myStr.add("一个字符串");
　　(6)String str=(String)myStr.get(0);//强制类型转换
　　(7)System.out.println(str);
　　(8) }
　　(9) }
　　例2：使用泛型技术的例子。
　　(1)import java.util.ArrayList;
　　(2)public class myCollection{
　　(3)public static void main(String[]args)｛
　　(4)ArrayList myStr=new ArrayList();
　　(5)myStr.add("一个字符串");
　　(6)String str=myStr.get(0);//没有强制类型转换。
　　(7)System.out.println(str);
　　(8) }
　　(9)}
　　在例2中，生成了一个只能包含字符串类型的ArrayList。如果你要在这个集合中添加其它类型的对象，哪么编译器会报错。这样，至少不会在运行时出现类型错误，基于大型的应用程序提高了安全性。另外，在从这个集合中取出的对像直接就是String类型，不必进行强类型转换。
　　1.2泛型的特点
　　(1)类型安全。 泛型的主要目标是提高Java程序的类型安全。通过使用泛型定义的变量的类型限制，编译器可以在编译时检验类型合法性。如果没有泛型，那么类型的安全性主要由程序员来把握，这显然不如带有泛型的程序安全性高。
　　由于Java中所有定义的类，都以Object类为顶层类，所以JDK5.0之前，Java程序员为了让定义出来的类可以更加通用，传入的值或返回的实例都是以Object类型为主，当要取出这些实例来使用时，必须记得将之转换为原来的类型或适当的接口，这样才能使用对象上的方法。然而，对于粗心的程序员往往会忘了转换，或者转换类型或接口时用错了类型，但由于语法上是允许的，所以编译器检查不出错误，因而执行时期就会发生ClassCastException。泛型可以将类型检查从运行时挪到编译时，这有助于程序员更容易找到错误，从而提高程序的可靠性。
　　(2)消除强制类型转换。 泛型的一个附带好处是，消除源代码中的许多强制类型转换。这使得代码更加可读，并且减少了出错机会。
　　(3)性能收益。 泛型为较大的优化带来可能。在泛型的初始实现中，编译器将强制类型转换插入生成的字节码中（如果没有泛型，程序员要指定这些强制类型转换）。但是更多类型信息可用于编译器这一事实，为未来版本的 JVM 的优化带来可能。
　　(4)擦除。泛型的实现方式采用了“擦除”方式，Java 语言中的泛型基本上完全在编译器中实现，编译器生成的代码与手工编写的不用泛型、检查程序的类型安全后进行强制类型转换所得到的代码基本相同，泛型只是更能确保类型安全。
　　
　　2 简单泛型的定义和使用
　　2.1简单泛型类的定义
　　在JDK1.5以后，Sun提出了针对泛型设计的解决方案，创建一个简单的泛型是非常容易的。首先，在一对尖括号(< >)中声明类型持有者名称，以逗号间隔类型持有者名列表。在类的实例变量和方法中，可以在任何类型的位置使用那些类型持有者名称。下面以一个简单的例子开始这部分的内容介绍。
　　例3：简单泛型的定义。
　　(1)import java.util.*;
　　(2)public class Tree {
　　(3)V value;
　　(4)public Tree(V value) {this.value = value; }// 构造方法，标识类型V的使用
　　(5)V getValue() {return value; }
　　(6)void setValue(V value) { this.value = value; }
　　(7) }
　　类型持有者的命名一般使用一个大写字母，不同字母一般代表不同的含义。如T（Type）、E（Element）、V（Value）、A（Annotation）等。
　　当一个变量被声明为泛型时，只能被实例变量和方法以及内部类调用，而不能被静态变量和方法调用。
　　可以通过以下方式来使用泛型类。
　　Tree s=new Tree("hello");
　　String str=s.getValue();
　　System.out.println (str);
　　2.2 限制泛型可用类型
　　定义泛型类时，默认可以使用任何类型来实例化泛型类中的类型持有者，但假设想要限制使用泛型类时，如何用某个特定类型或其子类型来实例化类型持有者呢？可以在定义类型持有者时，同时使用extends指定这个类型持有者实例化，实例化的对象必须继承于某个类型或实现某接口。如例3中的Tree中的类型持有者V是不受约束的，Tree可以被参数化为任何类型。如果需要强制一个类型参数实现一个或多个接口，或是一个特定类的子类，可以通过例4方式来实现。
　　例4：限制泛型可用类型实例。
　　(1)import java.util.*;
　　(2)public class Tree> implements Comparable >{
　　(3)V value;
　　(4)public Tree(V value) { this.value = value; }
　　(5)V getValue() { return value; }
　　(6)void setValue(V value) { this.value = value; }
　　(7)public int compareTo(Tree that) {
　　(8)if (this.value == null && that.value == null) return 0;
　　(9)if (this.value == null) return -1;
　　(10)if (that.value == null) return 1;
　　(11)return this.value.compareTo(that.value);
　　(12) }
　　(13)}
　　2.3类型通配符
　　仍以例3所定义的Tree来进行说明，假设使用Tree类来进行下面的声明：
　　Tree tree1=null;
　　Tree tree2=null;
　　那么名称tree1就只能参考Tree类型的Tree实例，而tree2就只能参考Tree类型的实例。即下面形式是可行的：
　　tree1=new Tree(new Integer(10));
　　tree2=new Tree("ten");
　　如果希望有一个变量tree可以像下面这样接受所指定的实例：
　　tree=new Tree(new ArrayList());
　　tree=new Tree(new LinkedList());
　　即如果想要有一个tree泛型对象，其对象持有者实例化的对象是List接口的类及其子类。要声明这么一个变量，可以使用通配符（?）代表未知类型，并使用extends关键字来修饰。例如：
　　Tree<? extends List> tree=null;
　　tree=new Tree(new ArrayList());
　　…
　　tree=new Tree(new LinkedList());
　　<? extends List>表示未知类型，只知道是List接口的类，所以，如果类型持有者实例化的对象不是实现List接口的类，则编译器报告错误。
　　使用<?>或<? extends SomeClass>的声明方式，意味着只能通过该名称来取得泛型对象变量的信息，或者是删除某些信息，但不能增加它的信息。
　　
　　3 泛型使用中的陷阱
　　JDK5.0增加的泛型是对类型安全的一次重大改进，泛型的创建和使用也相当简单，但是对于初次使用泛型类型的用户来说，泛型的某些方面看起来可能不容易明白，甚至非常奇怪，泛型的本身也存在一定的陷井，我们在使用中应该尽量避免。
　　(1)泛型不是协变（covariant）的
　　Java语言中的数组是协变的，也就是说，如果Number是Integer的超类型，那么Number[]也是Integer[]的超类型。泛型类型不是协变的，即List是List的超类型，但不能在需要 List 的地方传递 List。数组能够协变而泛型不能协变的另一个后果是，不能实例化泛型类型的数组，也就是说new List[3] 是不合法的，除非类型参数是一个未绑定的通配符，如：new List<?>[3] 是合法的。数组协变会破坏泛型的类型安全，所以不允许实例化泛型类型的数组。
　　(2)构造延迟
　　因为可以擦除功能，所以 List 和 List 是同一个类，编译器在编译 List 时只生成一个类。因此，在编译 List 类时，编译器不知道 V 所表示的类型，所以它就不能像知道类所表示的具体类型那样处理 List 类定义中的类型参数（List 中的 V）。
　　因为运行时不能区分 List 和 List（运行时都是 List），用泛型类型参数标识类型的变量的构造就成了问题。运行时缺乏类型信息，这给泛型容器类和希望创建保护性副本的泛型类提出了难题。
　　(3)类库的泛化问题
　　在转化现有的库类来使用泛型方面没有多少技巧，但与平常的情况相同，向后兼容性不会凭空而来，其中向后兼容性限制了类库的泛化。
　　(4)擦除方式引出的问题
　　擦除意味着一个类不能同时实现 Comparable 和 Comparable，因为事实上两者都在同一个接口中，指定同一个compareTo()方法。声明 DecimalString 类以便与 String 与 Number比较似乎是明智的，但对于 Java 编译器来说，这相当于对同一个方法进行了两次声明。擦除的另一个后果是，对泛型类型参数是用强制类型转换或者instanceOf 毫无意义。擦除也是造成不能创建泛型类型的对象的原因，因为编译器不知道要调用什么构造函数。
　　(5)类型受限问题
　　Java 语言中的泛型不能接受基本类型作为类型参数，它只能接受引用类型。这意味着可以定义 List，但是不可以定义 List。
　　
　　4 小结
　　本文阐述了JDK1.5中新增泛型的概念和特点，介绍了简单泛型创建和使用，探讨了泛型应用中存在的陷阱。泛型解决的不只是让程序员少写几个类的程序代码，还在于让程序员定义安全的泛型类。泛型提供编译时期检查，使程序员不会因为将对象置入某个容器而失去其类型。扩展虚拟机指令集来支持泛型被认为是无法接受的，因为这会为 Java 厂商升级其 JVM 造成难以逾越的障碍。
　　参考资料：
　　[1]Eric(美).诊断Java代码: 轻松掌握Java泛型[M].developerWorks,2003,5.
　　[2]Brian Goetz(美).Java 理论和实践:了解泛型[M].developerWorks,2005,1.
　　[3]Brian Goetz(美).Introduction to generic types in JDK 5.0[M].developerWorks,2004,12.
　　[4]良葛格.Java学习笔记[M].北京:清华大学出版社,2006.8.
　　[5]Java 2 Platform Standard Edition 5.0 的 API 规范文档.
　　本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。