<转>泛型的内部原理：类型擦除以及类型擦除带来的问题

一、Java泛型的实现方法：类型擦除

前面已经说了，Java的泛型是伪泛型。为什么说Java的泛型是伪泛型呢？因为，在编译期间，所有的泛型信息都会被擦除掉。正确理解泛型概念的首要前提是理解类型擦出（type erasure）。

Java中的泛型基本上都是在编译器这个层次来实现的。在生成的Java字节码中是不包含泛型中的类型信息的。使用泛型的时候加上的类型参数，会在编译器在编译的时候去掉。这个过程就称为类型擦除。

如在代码中定义的List object 和List String 等类型，在编译后都会编程List。JVM看到的只是List，而由泛型附加的类型信息对JVM来说是不可见的。Java编译器会在编译时尽可能的发现可能出错的地方，但是仍然无法避免在运行时刻出现类型转换异常的情况。类型擦除也是Java的泛型实现方法与C++模版机制实现方式之间的重要区别。

可以通过两个简单的例子，来证明java泛型的类型擦除。

例1、

public class Test4 {
public static void main(String[] args) {
ArrayList String arrayList1=new ArrayList String
arrayList1.add("abc");
ArrayList Integer arrayList2=new ArrayList Integer
arrayList2.add(123);
System.out.println(arrayList1.getClass()==arrayList2.getClass());
}
}

在这个例子中，我们定义了两个ArrayList数组，不过一个是ArrayList String 泛型类型，只能存储字符串。一个是ArrayList Integer 泛型类型，只能存储整形。最后，我们通过arrayList1对象和arrayList2对象的getClass方法获取它们的类的信息，最后发现结果为true。说明泛型类型String和Integer都被擦除掉了，只剩下了原始类型。

例2、

public class Test4 {
public static void main(String[] args) throws IllegalArgumentException, SecurityException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, NoSuchMethodException {
ArrayList Integer arrayList3=new ArrayList Integer
arrayList3.add(1);//这样调用add方法只能存储整形，因为泛型类型的实例为Integer
arrayList3.getClass().getMethod("add", Object.class).invoke(arrayList3, "asd");
for (int i=0;i arrayList3.size();i++) {
System.out.println(arrayList3.get(i));
}
}

在程序中定义了一个ArrayList泛型类型实例化为Integer的对象，如果直接调用add方法，那么只能存储整形的数据。不过当我们利用反射调用add方法的时候，却可以存储字符串。这说明了Integer泛型实例在编译之后被擦除了，只保留了原始类型。

二、类型擦除后保留的原始类型

在上面，两次提到了原始类型，什么是原始类型？原始类型（raw type）就是擦除去了泛型信息，最后在字节码中的类型变量的真正类型。无论何时定义一个泛型类型，相应的原始类型都会被自动地提供。类型变量被擦除（crased），并使用其限定类型（无限定的变量用Object）替换。

例3：

class Pair T {
   private T value;
   public T getValue() {
     return value;
   }
   public void setValue(T  value) {
     this.value = value;
   }

Pair T 的原始类型为：

class Pair {
private Object value;
public Object getValue() {
return value;
}
public void setValue(Object value) {
this.value = value;
}
}

因为在Pair T 中，T是一个无限定的类型变量，所以用Object替换。其结果就是一个普通的类，如同泛型加入java变成语言之前已经实现的那样。在程序中可以包含不同类型的Pair，如Pair String 或Pair Integer ，但是，擦除类型后它们就成为原始的Pair类型了，原始类型都是Object。

从上面的那个例2中，我们也可以明白ArrayList Integer 被擦除类型后，原始类型也变成了Object，所以通过反射我们就可以存储字符串了。

如果类型变量有限定，那么原始类型就用第一个边界的类型变量来替换。

比如Pair这样声明

例4：

public class Pair T extends Comparable Serializable {

那么原始类型就是Comparable

注意：

如果Pair这样声明public class Pair T extends Serializable Comparable ，那么原始类型就用Serializable替换，而编译器在必要的时要向Comparable插入强制类型转换。为了提高效率，应该将标签（tagging）接口（即没有方法的接口）放在边界限定列表的末尾。

要区分原始类型和泛型变量的类型

在调用泛型方法的时候，可以指定泛型，也可以不指定泛型。

在不指定泛型的情况下，泛型变量的类型为 该方法中的几种类型的同一个父类的最小级，直到Object。

在指定泛型的时候，该方法中的几种类型必须是该泛型实例类型或者其子类。

public class Test2{
public static void main(String[] args) {
/**不指定泛型的时候*/
int i=Test2.add(1, 2); //这两个参数都是Integer，所以T为Integer类型
Number f=Test2.add(1, 1.2);//这两个参数一个是Integer，以风格是Float，所以取同一父类的最小级，为Number
Object o=Test2.add(1, "asd");//这两个参数一个是Integer，以风格是Float，所以取同一父类的最小级，为Object
 /**指定泛型的时候*/
int a=Test2. Integer add(1, 2);//指定了Integer，所以只能为Integer类型或者其子类
int b=Test2. Integer add(1, 2.2);//编译错误，指定了Integer，不能为Float
Number c=Test2. Number add(1, 2.2); //指定为Number，所以可以为Integer和Float
//这是一个简单的泛型方法
public static T T add(T x,T y){
return y;
}
}

其实在泛型类中，不指定泛型的时候，也差不多，只不过这个时候的泛型类型为Object，就比如ArrayList中，如果不指定泛型，那么这个ArrayList中可以放任意类型的对象。

举例：

public static void main(String[] args) {
ArrayList arrayList=new ArrayList();
arrayList.add(1);
arrayList.add("121");
arrayList.add(new Date());
}

三、类型擦除引起的问题及解决方法

因为种种原因，Java不能实现真正的泛型，只能使用类型擦除来实现伪泛型，这样虽然不会有类型膨胀的问题，但是也引起了许多新的问题。所以，Sun对这些问题作出了许多限制，避免我们犯各种错误。

1、先检查，在编译，以及检查编译的对象和引用传递的问题

既然说类型变量会在编译的时候擦除掉，那为什么我们往ArrayList String arrayList=new ArrayList String 所创建的数组列表arrayList中，不能使用add方法添加整形呢？不是说泛型变量Integer会在编译时候擦除变为原始类型Object吗，为什么不能存别的类型呢？既然类型擦除了，如何保证我们只能使用泛型变量限定的类型呢？

java是如何解决这个问题的呢？java编译器是通过先检查代码中泛型的类型，然后再进行类型擦除，在进行编译的。

举个例子说明：

public static void main(String[] args) {
ArrayList String arrayList=new ArrayList String
arrayList.add("123");
arrayList.add(123);//编译错误
}

在上面的程序中，使用add方法添加一个整形，在eclipse中，直接就会报错，说明这就是在编译之前的检查。因为如果是在编译之后检查，类型擦除后，原始类型为Object，是应该运行任意引用类型的添加的。可实际上却不是这样，这恰恰说明了关于泛型变量的使用，是会在编译之前检查的。

那么，这么类型检查是针对谁的呢？我们先看看参数化类型与原始类型的兼容

以ArrayList举例子，以前的写法：

ArrayList arrayList=new ArrayList();

现在的写法：

ArrayList String arrayList=new ArrayList String

如果是与以前的代码兼容，各种引用传值之间，必然会出现如下的情况：

ArrayList String arrayList1=new ArrayList(); //第一种 情况

ArrayList arrayList2=new ArrayList String //第二种 情况

这样是没有错误的，不过会有个编译时警告。

不过在第一种情况，可以实现与 完全使用泛型参数一样的效果，第二种则完全没效果。

因为，本来类型检查就是编译时完成的。new ArrayList()只是在内存中开辟一个存储空间，可以存储任何的类型对象。而真正涉及类型检查的是它的引用，因为我们是使用它引用arrayList1 来调用它的方法，比如说调用add()方法。所以arrayList1引用能完成泛型类型的检查。

而引用arrayList2没有使用泛型，所以不行。

举例子：

public class Test10 {
public static void main(String[] args) {
//
ArrayList String arrayList1=new ArrayList();
arrayList1.add("1");//编译通过
arrayList1.add(1);//编译错误
String str1=arrayList1.get(0);//返回类型就是String
ArrayList arrayList2=new ArrayList String
arrayList2.add("1");//编译通过
arrayList2.add(1);//编译通过
Object object=arrayList2.get(0);//返回类型就是Object
new ArrayList String ().add("11");//编译通过
new ArrayList String ().add(22);//编译错误
String string=new ArrayList String ().get(0);//返回类型就是String
}

通过上面的例子，我们可以明白，类型检查就是针对引用的，谁是一个引用，用这个引用调用泛型方法，就会对这个引用调用的方法进行类型检测，而无关它真正引用的对象。

从这里，我们可以再讨论下 泛型中参数化类型为什么不考虑继承关系

在Java中，像下面形式的引用传递是不允许的：

ArrayList String arrayList1=new ArrayList Object //编译错误
ArrayList Object arrayList1=new ArrayList String //编译错误

我们先看第一种情况，将第一种情况拓展成下面的形式：

ArrayList Object arrayList1=new ArrayList Object
arrayList1.add(new Object());
arrayList1.add(new Object());
ArrayList String arrayList2=arrayList1;//编译错误

实际上，在第4行代码的时候，就会有编译错误。那么，我们先假设它编译没错。那么当我们使用arrayList2引用用get()方法取值的时候，返回的都是String类型的对象（上面提到了，类型检测是根据引用来决定的。），可是它里面实际上已经被我们存放了Object类型的对象，这样，就会有ClassCastException了。所以为了避免这种极易出现的错误，Java不允许进行这样的引用传递。（这也是泛型出现的原因，就是为了解决类型转换的问题，我们不能违背它的初衷）。

在看第二种情况，将第二种情况拓展成下面的形式：

ArrayList String arrayList1=new ArrayList String
arrayList1.add(new String());
arrayList1.add(new String());
ArrayList Object arrayList2=arrayList1;//编译错误

没错，这样的情况比第一种情况好的多，最起码，在我们用arrayList2取值的时候不会出现ClassCastException，因为是从String转换为Object。可是，这样做有什么意义呢，泛型出现的原因，就是为了解决类型转换的问题。我们使用了泛型，到头来，还是要自己强转，违背了泛型设计的初衷。所以java不允许这么干。再说，你如果又用arrayList2往里面add()新的对象，那么到时候取得时候，我怎么知道我取出来的到底是String类型的，还是Object类型的呢？

所以，要格外注意，泛型中的引用传递的问题。

2、自动类型转换

因为类型擦除的问题，所以所有的泛型类型变量最后都会被替换为原始类型。这样就引起了一个问题，既然都被替换为原始类型，那么为什么我们在获取的时候，不需要进行强制类型转换呢？看下ArrayList和get方法：

public E get(int index) {
RangeCheck(index);
return (E) elementData[index];
}

看以看到，在return之前，会根据泛型变量进行强转。

写了个简单的测试代码：

public class Test {
public static void main(String[] args) {
ArrayList Date list=new ArrayList Date
list.add(new Date());
Date myDate=list.get(0);
}

然后反编了下字节码，如下

public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: new #16 // class java/util/ArrayList
3: dup
4: invokespecial #18 // Method java/util/ArrayList." init
:()V
7: astore_1
8: aload_1
9: new #19 // class java/util/Date
12: dup
13: invokespecial #21 // Method java/util/Date." init ":()
16: invokevirtual #22 // Method java/util/ArrayList.add:(L
va/lang/Object;)Z
19: pop
20: aload_1
21: iconst_0
22: invokevirtual #26 // Method java/util/ArrayList.get:(I
java/lang/Object;
25: checkcast #19 // class java/util/Date
28: astore_2
29: return

看第22 ，它调用的是ArrayList.get()方法，方法返回值是Object，说明类型擦除了。然后第25，它做了一个checkcast操作，即检查类型#19， 在在上面找#19引用的类型，他是
9: new #19 // class java/util/Date
是一个Date类型，即做Date类型的强转。
所以不是在get方法里强转的，是在你调用的地方强转的。

附关于checkcast的解释：
checkcast checks that the top item on the operand stack (a reference to an object or array) can be cast to a given type. For example, if you write in Java:

return ((String)obj);

then the Java compiler will generate something like:

aload_1 ; push -obj- onto the stack
checkcast java/lang/String ; check its a String
areturn ; return it

checkcast is actually a shortand for writing Java code like:

if (! (obj == null || obj instanceof class )) {
throw new ClassCastException();
}
// if this point is reached, then object is either null, or an instance of
// class or one of its superclasses.

3、类型擦除与多态的冲突和解决方法

现在有这样一个泛型类：

class Pair T {
private T value;
public T getValue() {
return value;
}
public void setValue(T value) {
this.value = value;
}
}

然后我们想要一个子类继承它

class DateInter extends Pair Date {
@Override
public void setValue(Date value) {
super.setValue(value);
}
@Override
public Date getValue() {
return super.getValue();
}
}

在这个子类中，我们设定父类的泛型类型为Pair Date ，在子类中，我们覆盖了父类的两个方法，我们的原意是这样的：

将父类的泛型类型限定为Date，那么父类里面的两个方法的参数都为Date类型：

public Date getValue() {
return value;
}
public void setValue(Date value) {
this.value = value;

所以，我们在子类中重写这两个方法一点问题也没有，实际上，从他们的@Override标签中也可以看到，一点问题也没有，实际上是这样的吗？

分析：

实际上，类型擦除后，父类的的泛型类型全部变为了原始类型Object，所以父类编译之后会变成下面的样子：

class Pair {
private Object value;
public Object getValue() {
return value;
}
public void setValue(Object value) {
this.value = value;
}
}

再看子类的两个重写的方法的类型：

@Override
public void setValue(Date value) {
super.setValue(value);
}
@Override
public Date getValue() {
return super.getValue();
}

先来分析setValue方法，父类的类型是Object，而子类的类型是Date，参数类型不一样，这如果实在普通的继承关系中，根本就不会是重写，而是重载。
我们在一个main方法测试一下：

public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
DateInter dateInter=new DateInter();
dateInter.setValue(new Date());
dateInter.setValue(new Object());//编译错误
 }

如果是重载，那么子类中两个setValue方法，一个是参数Object类型，一个是Date类型，可是我们发现，根本就没有这样的一个子类继承自父类的Object类型参数的方法。所以说，却是是重写了，而不是重载了。

为什么会这样呢？

原因是这样的，我们传入父类的泛型类型是Date，Pair Date ，我们的本意是将泛型类变为如下：

class Pair {
private Date value;
public Date getValue() {
return value;
}
public void setValue(Date value) {
this.value = value;
}
}

然后再子类中重写参数类型为Date的那两个方法，实现继承中的多态。

可是由于种种原因，虚拟机并不能将泛型类型变为Date，只能将类型擦除掉，变为原始类型Object。这样，我们的本意是进行重写，实现多态。可是类型擦除后，只能变为了重载。这样，类型擦除就和多态有了冲突。JVM知道你的本意吗？知道！！！可是它能直接实现吗，不能！！！如果真的不能的话，那我们怎么去重写我们想要的Date类型参数的方法啊。

于是JVM采用了一个特殊的方法，来完成这项功能，那就是桥方法。

首先，我们用javap -c className的方式反编译下DateInter子类的字节码，结果如下：

class com.tao.test.DateInter extends com.tao.test.Pair java.util.Date {
com.tao.test.DateInter();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #8 // Method com/tao/test/Pair." init "
:()V
4: return
public void setValue(java.util.Date); //我们重写的setValue方法
Code:
0: aload_0
1: aload_1
2: invokespecial #16 // Method com/tao/test/Pair.setValue
:(Ljava/lang/Object;)V
5: return
public java.util.Date getValue(); //我们重写的getValue方法
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #23 // Method com/tao/test/Pair.getValue
:()Ljava/lang/Object;
4: checkcast #26 // class java/util/Date
7: areturn
public java.lang.Object getValue(); //编译时由编译器生成的巧方法
Code:
0: aload_0
1: invokevirtual #28 // Method getValue:()Ljava/util/Date 去调用我们重写的getValue方法
;
4: areturn
public void setValue(java.lang.Object); //编译时由编译器生成的巧方法
Code:
0: aload_0
1: aload_1
2: checkcast #26 // class java/util/Date
5: invokevirtual #30 // Method setValue:(Ljava/util/Date; 去调用我们重写的setValue方法
)V
8: return

从编译的结果来看，我们本意重写setValue和getValue方法的子类，竟然有4个方法，其实不用惊奇，最后的两个方法，就是编译器自己生成的桥方法。可以看到桥方法的参数类型都是Object，也就是说，子类中真正覆盖父类两个方法的就是这两个我们看不到的桥方法。而打在我们自己定义的setvalue和getValue方法上面的@Oveerride只不过是假象。而桥方法的内部实现，就只是去调用我们自己重写的那两个方法。

所以，虚拟机巧妙的使用了巧方法，来解决了类型擦除和多态的冲突。

不过，要提到一点，这里面的setValue和getValue这两个桥方法的意义又有不同。

setValue方法是为了解决类型擦除与多态之间的冲突。

而getValue却有普遍的意义，怎么说呢，如果这是一个普通的继承关系：

那么父类的setValue方法如下：

public ObjectgetValue() {
return super.getValue();
}

而子类重写的方法是：

public Date getValue() {
return super.getValue();
}

其实这在普通的类继承中也是普遍存在的重写，这就是协变。

关于协变：。。。。。。

并且，还有一点也许会有疑问，子类中的巧方法  Object  getValue()和Date getValue()是同 时存在的，可是如果是常规的两个方法，他们的方法签名是一样的，也就是说虚拟机根本不能分别这两个方法。如果是我们自己编写Java代码，这样的代码是无法通过编译器的检查的，但是虚拟机却是允许这样做的，因为虚拟机通过参数类型和返回类型来确定一个方法，所以编译器为了实现泛型的多态允许自己做这个看起来 不合法 的事情，然后交给虚拟器去区别。

4、泛型类型变量不能是基本数据类型

不能用类型参数替换基本类型。就比如，没有ArrayList double ，只有ArrayList Double 。因为当类型擦除后，ArrayList的原始类型变为Object，但是Object类型不能存储double值，只能引用Double的值。

5、运行时类型查询

举个例子:

ArrayList String arrayList=new ArrayList String

因为类型擦除之后，ArrayList String 只剩下原始类型，泛型信息String不存在了。

那么，运行时进行类型查询的时候使用下面的方法是错误的