Java泛型與數組深入研究

Java中的泛型與數組平時開發用的很多，除了偶爾遇到"NullPointerException"和"IndexOutOfBoundsException"一般也不會遇到太大問題。可是如果深入研究，可能會發現這兩種類型有很多奇怪的特點。我查了一些資料，發現包括《Java編程思想》在內對這些問題的解釋都含糊其辭（不排除是本人理解能力有限）。因此在大量實踐的基礎上，我只能提出自己的對這些問題的理解並總結下來。

一、數組轉型

准備工作

創建三個表示繼承關系的類，供測試使用：

class Fruit {
}

class Apple extends Fruit {
}

class RedApple extends Apple {
}

數組能夠轉型嗎？

// 測試：數組轉型
public void arrayTransform() {
    Fruit[] fruits = new Apple[10];
    Fruit[] newFruits = new Fruit[10];
    newFruits[0] = new Apple();
    newFruits[1] = new Apple();
    Apple[] apples = (Apple[]) newFruits; // 拋出異常java.lang.ClassCastException
}

編譯期不報錯，運行期拋異常。而且這個錯誤與newFruits所持有的實際對象無關。如果要強制轉型只能遍歷數組來完成。要理解這個問題本質，我們需要首先了解Java的數組內存模型。

數組的內存模型

數組轉型，JVM只會檢查它的直接類型。上面的例子中，對於Apple[]而言Fruit[]是它的父類，因此可以直接轉型。而向下轉型的時候，相當於Fruit轉型Apple。因此在運行期報錯。不過事情似乎不那么簡單，Fruit[]真的是Apple[]的父類嗎？

public void arraySuperclass() {
    Fruit[] fruits = new Fruit[10];
    Apple[] apples = new Apple[10];
    System.out.println(fruits.getClass());
    System.out.println(apples.getClass());
    System.out.println(fruits.getClass().getSuperclass());
    System.out.println(apples.getClass().getSuperclass());
}
/* Output:
class [LFruit;
class [LApple;
class java.lang.Object
class java.lang.Object
*/

從輸出看，似乎數組之間並沒有相互的繼承關系。那么這樣的轉型到底是如何實現的呢？根據JVM的規范，數組類型是由虛擬機在運行時創建的，控制台輸出的前兩行即代表數組類型。同時JVM規范也定義了，數組的父類型為數組元素的父類型。對於數組，我們的總結如下：

1. 數組類型只和聲明類型相關與它的實際持有類型無關。
2. 數組類的繼承關系與聲明類型的繼承關系保持一致。

二、泛型通配符

extends的含義

public void genericExtends(List<? extends Fruit> ls) {
    ls.add(new Apple()); // 編譯報錯
    Fruit f = ls.get(0);
}

使用extends修飾的泛型容器只能調用get()方法，並且genericExtends方法可以接受List<Fruit>、List<Apple>和List<RedApple>類型的參數。

Java泛型是一種妥協的產物，實際在泛型內部無法知曉實際類型。Java為了實現泛型采用一種被稱為“擦除”的機制，並且這種機制在編譯期完成。這樣做的目的是為了和老版本的.class文件保持兼容。extends本質是一種擦除的約束條件，表示List<? extends Fruit>對象將會被擦除成List<Fruit>，因此在方法內部開發人員可以調用在Fruit的所有方法。但是必須明確一點，List<? extends Fruit>與List<Fruit>絕不一樣。這一點和數組類型相似，任何以Fruit的子類為泛型的容器類（如：List<Apple>）並不是Fruit容器類（如：List<Fruit>）的子類。如果必須要說它們之間存在什么共性的話就是以Fruit的子類為泛型的容器類可以在編譯期被擦除為Fruit的容器類。要如何實現這一點呢？Java提出了在泛型中利用extends作為修飾符。因此，List<? extends Fruit>聲明的本質是告訴編譯期，請嘗試把方法的參數（如：List<Apple>）擦除成List<Fruit>而不要直接擦除成List<Object>，如果成立則編譯通過。

因此在genericExtends方法的內部，ls表示它可能為List<Fruit>、List<Apple>和List<RedApple>之中的任何一個類型。因此ls不能使用add方法想容器中添加元素。

super的含義

public void genericSuper(List<? super Apple> ls) {
    ls.add(new Apple());
    ls.add(new RedApple());
}

public void methInvok() {
    List<Fruit> fruits = new ArrayList<>();
    this.genericSuper(fruits);
}

如果希望在方法內部可以向容器中添加元素，則推薦的做法是使用super修飾泛型。以它作為泛型修飾符的方法形參，從外部看表示：我可以接收以泛型聲明類自身或所有父類為泛型的容器類，如（List<Apple>或List<Fruit>）。它相當於容器添加了一個下界。從內部看表示：參數ls能夠接收所有泛型聲明類自身或為基類的對象，如（Apple 或 RedApple）。

關於泛型通配符，我們總結如下：

1. 包含通配符的泛型對象在編譯期會被擦除，利用extends和super能夠為為擦除行為增加約束。
2. 通配符表示為某一種明確的類型，具體類型只有在運行期可知。