Java 泛型 五：泛型與數組

簡介

上一篇文章介紹了泛型的基本用法以及類型擦除的問題，現在來看看泛型和數組的關系。數組相比於Java 類庫中的容器類是比較特殊的，主要體現在三個方面：

1. 數組創建后大小便固定，但效率更高

2. 數組能追蹤它內部保存的元素的具體類型，插入的元素類型會在編譯期得到檢查

3. 數組可以持有原始類型 ( int，float等 )，不過有了自動裝箱，容器類看上去也能持有原始類型了

那么當數組遇到泛型會怎樣？ 能否創建泛型數組呢？這是這篇文章的主要內容。

這個系列的另外兩篇文章：

泛型數組

如何創建泛型數組

如果有一個類如下：

 class Generic<T> { }

如果要創建一個泛型數組，應該是這樣： Generic<Integer> ga = new Generic<Integer>[]。不過行代碼會報錯，也就是說不能直接創建泛型數組。

那么如果要使用泛型數組怎么辦？一種方案是使用 ArrayList，比如下面的例子：

public class ListOfGenerics<T> {
    private List<T> array = new ArrayList<T>();  public void add(T item) { array.add(item); }  public T get(int index) { return array.get(index); } } 

如何創建真正的泛型數組呢？我們不能直接創建，但可以定義泛型數組的引用。比如：

public class ArrayOfGenericReference { static Generic<Integer>[] gia; }

gia 是一個指向泛型數組的引用，這段代碼可以通過編譯。但是，我們並不能創建這個確切類型的數組，也就是不能使用 new Generic<Integer>[]。具體參見下面的例子：

public class ArrayOfGeneric { static final int SIZE = 100; static Generic<Integer>[] gia; @SuppressWarnings("unchecked") public static void main(String[] args) { // Compiles; produces ClassCastException: //! gia = (Generic<Integer>[])new Object[SIZE]; // Runtime type is the raw (erased) type: gia = (Generic<Integer>[])new Generic[SIZE]; System.out.println(gia.getClass().getSimpleName()); gia[0] = new Generic<Integer>(); //! gia[1] = new Object(); // Compile-time error // Discovers type mismatch at compile time: //! gia[2] = new Generic<Double>(); Generic<Integer> g = gia[0]; } } /*輸出： Generic[] *///:~

數組能追蹤元素的實際類型，這個類型是在數組創建的時候建立的。上面被注釋掉的一行代碼： gia = (Generic<Integer>[])new Object[SIZE]，數組在創建的時候是一個 Object 數組，如果轉型便會報錯。成功創建泛型數組的唯一方式是創建一個類型擦除的數組，然后轉型，如代碼： gia = (Generic<Integer>[])new Generic[SIZE]。gia 的 Class 對象輸出的名字是 Generic[]。

我個人的理解是：由於類型擦除，所以 Generic<Integer> 相當於初始類型 Generic，那么 gia = (Generic<Integer>[])new Generic[SIZE] 中的轉型其實還是轉型為 Generic[]，看上去像沒轉，但是多了編譯器對參數的檢查和自動轉型，向數組插入 new Object() 和 new Generic<Double>() 均會報錯，而 gia[0] 取出給 Generic<Integer> 也不需要我們手動轉型。

使用 T[] array

上面的例子中，元素的類型是泛型類。下面看一個元素本身類型是泛型參數的例子：

public class GenericArray<T> { private T[] array; @SuppressWarnings("unchecked") public GenericArray(int sz) { array = (T[])new Object[sz]; // 創建泛型數組 } public void put(int index, T item) { array[index] = item; } public T get(int index) { return array[index]; } // Method that exposes the underlying representation: public T[] rep() { return array; } //返回數組 會報錯 public static void main(String[] args) { GenericArray<Integer> gai = new GenericArray<Integer>(10); // This causes a ClassCastException: //! Integer[] ia = gai.rep(); // This is OK: Object[] oa = gai.rep(); } }

在上面的代碼中，泛型數組的創建是創建一個 Object 數組，然后轉型為 T[]。但數組實際的類型還是 Object[]。在調用 rep()方法的時候，就報 ClassCastException 異常了，因為 Object[] 無法轉型為 Integer[]。

那創建泛型數組的代碼 array = (T[])new Object[sz] 為什么不會報錯呢？我的理解和前面介紹的類似，由於類型擦除，相當於轉型為 Object[]，看上去就是沒轉，但是多了編譯器的參數檢查和自動轉型。而如果把泛型參數改成 <T extends Integer>，那么因為類型是擦除到第一個邊界，所以 array = (T[])new Object[sz] 中相當於轉型為 Integer[]，這應該會報錯。下面是實驗的代碼：

public class GenericArray<T extends Integer> { private T[] array; @SuppressWarnings("unchecked") public GenericArray(int sz) { array = (T[])new Object[sz]; // 創建泛型數組 } public void put(int index, T item) { array[index] = item; } public T get(int index) { return array[index]; } // Method that exposes the underlying representation: public T[] rep() { return array; } //返回數組 會報錯 public static void main(String[] args) { GenericArray<Integer> gai = new GenericArray<Integer>(10); // This causes a ClassCastException: //! Integer[] ia = gai.rep(); // This is OK: Object[] oa = gai.rep(); } }

相比於原始的版本，上面的代碼只修改了第一行，把 <T> 改成了 <T extends Integer>，那么不用調用 rep()，在創建泛型數組的時候就會報錯。下面是運行結果：

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: [Ljava.lang.Object; cannot be cast to [Ljava.lang.Integer; at GenericArray.<init>(GenericArray.java:15) 

使用 Object[] array

由於擦除，運行期的數組類型只能是 Object[]，如果我們立即把它轉型為 T[]，那么在編譯期就失去了數組的實際類型，編譯器也許無法發現潛在的錯誤。因此，更好的辦法是在內部最好使用 Object[] 數組，在取出元素的時候再轉型。看下面的例子：

public class GenericArray2<T> { private Object[] array; public GenericArray2(int sz) { array = new Object[sz]; } public void put(int index, T item) { array[index] = item; } @SuppressWarnings("unchecked") public T get(int index) { return (T)array[index]; } @SuppressWarnings("unchecked") public T[] rep() { return (T[])array; // Warning: unchecked cast } public static void main(String[] args) { GenericArray2<Integer> gai = new GenericArray2<Integer>(10); for(int i = 0; i < 10; i ++) gai.put(i, i); for(int i = 0; i < 10; i ++) System.out.print(gai.get(i) + " "); System.out.println(); try { Integer[] ia = gai.rep(); } catch(Exception e) { System.out.println(e); } } } /* Output: (Sample) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 java.lang.ClassCastException: [Ljava.lang.Object; cannot be cast to [Ljava.lang.Integer; *///:~

現在內部數組的呈現不是 T[] 而是 Object[]，當 get() 被調用的時候數組的元素被轉型為 T，這正是元素的實際類型。不過調用 rep() 還是會報錯， 因為數組的實際類型依然是Object[]，終究不能轉換為其它類型。使用 Object[] 代替 T[] 的好處是讓我們不會忘記數組運行期的實際類型，以至於不小心引入錯誤。

使用類型標識

其實使用 Class 對象作為類型標識是更好的設計：

public class GenericArrayWithTypeToken<T> { private T[] array; @SuppressWarnings("unchecked") public GenericArrayWithTypeToken(Class<T> type, int sz) { array = (T[])Array.newInstance(type, sz); } public void put(int index, T item) { array[index] = item; } public T get(int index) { return array[index]; } // Expose the underlying representation: public T[] rep() { return array; } public static void main(String[] args) { GenericArrayWithTypeToken<Integer> gai = new GenericArrayWithTypeToken<Integer>( Integer.class, 10); // This now works: Integer[] ia = gai.rep(); } } 

在構造器中傳入了 Class<T> 對象，通過 Array.newInstance(type, sz) 創建一個數組，這個方法會用參數中的 Class 對象作為數組元素的組件類型。這樣創建出的數組的元素類型便不再是 Object，而是 T。這個方法返回 Object 對象，需要把它轉型為數組。不過其他操作都不需要轉型了，包括 rep() 方法，因為數組的實際類型與 T[] 是一致的。這是比較推薦的創建泛型數組的方法。

總結

數組與泛型的關系還是有點復雜的，Java 中不允許直接創建泛型數組。本文分析了其中原因並且總結了一些創建泛型數組的方式。其中有部分個人的理解，如果錯誤希望大家指正。下一篇會總結通配符的使用。