java从toArray返回Object[]到泛型的类型擦除

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在将ArrayList等Collection转为数组时,函数的返回值并不是泛型类型的数组,而是Object[]。刚好最近翻了一遍《java核心技术》,以及参考《Think in Java》,写写为什么没有直接返回对应类型的数组,以及Java泛型中类型擦除的处理方式。

主要涉及:

  1. ArrayList的toArray函数使用
  2. 为什么不直接定义函数 T[] toArray()
  3. 泛型数组的创建的两种常用方法
  4. 在泛型中创建具体的类实例

(部分代码没有运行过)

ArrayList的toArray函数使用

将ArrayList转为数组,提供了两个函数

Object[] toArray();
<T> T[] toArray(T[] a);

// 后面考虑一个Integer类型的ArrayList
ArrayList<Integer> aa = new ArrayList<>();
aa.add(1);
aa.add(3);

Object[] toArray();

第一个函数是直接将ArrayList转换成Object的数组,可以用Object[] bb = aa.toArray(),在具体使用时对每个对象进行强制类型转换,如System.out.println((Integer)bb[1])。(java不支持数组之间的强制类型转换)

T[] toArray(T[] a);

第二个函数能够直接得到T类型的数组,当传入的T[] a能放下ArrayList时,会将ArrayList中的内容复制到a中(a的size较大时会a[size]=null)。否则,将构建一个新的数组并返回。具体实现如下:

public <T> T[] toArray(T[] a) {
    if (a.length < size)
        // Make a new array of a's runtime type, but my contents:
        return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
    System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
    if (a.length > size)
        a[size] = null;
    return a;
}

对于第二个函数,可以考虑将一个大小一致的T[]数组传入toArray()函数(为了数组复用),或者直接Integer[] ArrayAA = aa.toArray(new Integer[0]);

为什么不直接定义函数 T[] toArray();

通常,直观上更直接的返回数组的方式应该是T[] toArray(),为什么JDK定义了一个不怎么好用的返回Object数组的函数。

数组之间虽然占用空间大小相同,但是不能强制改变类型(由于数组也是类,而数组类之间没有继承关系)。以object[] a; ...; (Integer[])a强制转换一个数组类型时,会在编译器产生警告,运行时抛出异常。因此对于泛型数组,无法以(T[]) array的形式,将擦除Object类型的数组强转为T[]类型。

主要和jdk向前兼容以及泛型的类型擦除有关,个人认为主要应该还是由于类型擦除机制导致了返回T[] toArray()的实现困难。

泛型的类型擦除

泛型是从SE 5才开始引入,为了不破坏现有的类型机制,用了一种类型擦除的机制,相比C++使类型擦除时的考虑更为复杂。

虚拟机并不支持泛型,而是将泛型类编译成了一个类型擦除(erased)的类,将类型变量转换成一个原始类型(raw type)。原始类型在默认类型变量时会被转换成Object,在类型变量有限定时(如 )会被转换成限定的类。在运行时获取到的T类型都是擦除后的类型。

public class Pair<T> {
  private T first;
  private T second;
  public Pair(T first, T second){ this.first = first; this.second = second; }
}

// 会被替换成
public class Pair {
  private Object first;
  private Object second;
  public Pair(Object first, Object second){ 
    this.first = first;
	this.second = second; 
	System.out.println(this.first.getClass()); // 不管T类型如何,得到的都是Object
  }
}

//当类型为Pair<T extends Comparable>时,T会被替换为Comparable

这和C++的处理方式很不一样,C++中每个模板的实例化都会产生不同的具体类型,相当于对与每一种类型都会编译出一套独立的代码,会有“模板代码膨胀”。而在java中,使用了模板的类作为一个通用类进行了编译,传入不同的泛型参数也只会运行在同一个类上,模板的类型使用擦除后的类型进行编译。

在使用到具体的对象时,编译器会添加一个强制类型的转换指定,将Object或限定的类型强转为具体的类型。如对于类成员函数 public T getFirst(),由于类型擦除后函数会变为public Object getFirst(),当泛型T为整型时,编译器调用 Int a = pair1.getFirst()会添加一个强制类型转换指令给虚拟机。而在没有具体类型时,一直使用擦除后的类型进行处理。

泛型方法不涉及类型擦除

public <T> void f(T x){
  System.out.println(x.getClass().getName());
}

f.(""); // java.lang.String
f.(1);  // java.lang.Integer

对于泛型方法,使用的是类型推断机制,当调用方法时,通过参数判断T的类型,而非擦除为Object。

<T> T[] toArray(T[] a); 函数就是通过这一方式,在调用toArray函数时通过参数类型得到泛型的类型,然后通过反射创建数组。

类型擦除导致的结果

由于类型的擦除,在使用时需要一直注意类型变量的类型并非T,编译期无法得到关于T类型的具体信息,在运行时的类型并不会替换为具体的类型,而是在需要的地方执行强制类型转换。 在运行时会出现下面的情况:

  • 类型List和List的类型在擦除后相同。
  • 同上 instanceOf 也无法使用。
  • T a = new T(); 编译器会报错,因为类型在编译期不存在,而且编译阶段无法确定在T中是否存在默认的无参构造函数。
  • 同上,无法使用 T[] a = new T[10]

外加数组类之间无继承关系导致无法将Object[]的数组强转为T[]。

因此,java中直接设计T[] toArray()类型的函数需要额外的传入类型。

泛型数组的创建的两种常用方法

虽然无法直接创建T类型的对象,但可以利用反射机制间接的创建T类型的对象。对于创建泛型数组,一般的方案是使用ArrayList。如果某些情况下需要自己实现,可以使用和ArrayList类似的方式。

1、JDK通过创建Object[]的数组放对象,在取对象时进行类型转换,此时toArray函数通过泛型函数的参数获取类型。

// 数组仍使用Object类型
private Object[] array = new Object[size];

// 在get函数中强制类型转换
public T get(int index){
  return (T)array[index];
}

// 转换成数组
public T[] toArray(T[] a){
  // 此处a只用于获取类型
  // 更严谨的实现参考上面的JDK代码
  return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
}

2、或者传入具体的类型,由于传入的具体类型可以创建具体类型数组,因此可以直接实现T[] toArray()。可能是传入类型的方式不太优雅,JDK并没有使用这种形式。

class GenericArray{
  private T[] array;

  // 构造函数直接传入类型,数组的强制类型转换会产生编译警告,此处直接用标签忽略 
  @SuppressWarnings("unchecked")
  public GenericArray(Class<T> type, int size){
    array = (T[]) Array.newInstance(type, size);
  }
  
  public T[] toArray(){
    return array;
  }
}

在泛型中创建具体的类实例

和上面的情况类似,要想在泛型类中创建具体的类型,也就是需要在类中能够得到T.class,通常需要使用两种方式:

  1. T.class通过函数或其它方式传入类中,通过反射机制创建。
  2. 泛型函数能够从参数的类型中获取T.class

后面简单介绍构造函数包装后传入的方式。

通过构造函数传入类型后创建类实例

对于T a = new T();,由于类型擦除无法创建,但可以通过在运行时传入类变量来实现创建,将类型通过构造函数传入。在有类型后,通过反射机制(newInstance)构建新的类。

public class ClassAsFactory<T>{
  Class<T> kind;
  public ClassAsFactory(Class<T> kind){ this.kind = kind; }
  
  // 构建时传入 String.class
  public static void main(String[] argvs){
    ClassAsFactory<String> gClass = new ClassAsFactory<String>(String.class);
  }
}

但是对于这段代码,编译器无法检查构造函数是否存在等问题,一般更建议使用显示类型工厂,在构造函数中传入new过具体类型的工厂类:

Interface FactoryI<T>{
  T create();
}

// 在工厂类中传入具体的对象
Class IntegerFactory implements FactoryI<Integer>{
  public Integer Create() { return new Interger(0);}
}

Class Foo2<T> {
  private T x;
  // 类型F用来限制参数为工厂类
  public <F extends FactoryI<T>> Foo2(F factory){ 
    x = factory.create();
  }
  
  public static void main(String[] argvs){
    new Foo2<Integer>(new IntegerFactory());
}

此时,具体工厂类由于针对具体的类型,编译期间可以对创建过程进行检查。

《Think in Java》里还提到一种模板方法设计模式,没有太大的本质上的区别。

posted @ 2020-05-20 23:38  extendswind  阅读(457)  评论(0编辑  收藏