类型系统

java类型系统.png

Class

最常见的 Type 实现类
代表原始类型（raw types）和基本类型（primitive types）：

1 2	`Class<?> clazz = String.class; Class<?> arrayClass = int[].class;`

ParameterizedType（参数化类型）

表示带有泛型参数的类型
主要方法：
- getActualTypeArguments(): 获取泛型参数的实际类型
- getRawType(): 获取原始类型
- getOwnerType(): 获取所属类型

// Map<String, List<Integer>>
Map<String, List<Integer>> map = new HashMap<>();
Type type = map.getClass().getGenericSuperclass();
if (type instanceof ParameterizedType) {
    Type[] actualTypeArguments = ((ParameterizedType) type).getActualTypeArguments();
}

TypeVariable（类型变量）

表示泛型中的类型变量
例如泛型定义中的 T、K、V 等

public class Container<T> {
    private T value;
    
    public void showType() {
        TypeVariable<?>[] typeParameters = Container.class.getTypeParameters();
        // typeParameters[0] 就是 T
    }
}

GenericArrayType（泛型数组类型）

表示元素类型是参数化类型或类型变量的数组
例如：T[] 或 List[]

public class Example<T> {
    T[] array;
    List<String>[] lists;
    
    public void check() {
        Field arrayField = Example.class.getDeclaredField("array");
        Type arrayType = arrayField.getGenericType();
        if (arrayType instanceof GenericArrayType) {
            Type componentType = ((GenericArrayType) arrayType).getGenericComponentType();
        }
    }
}

WildcardType（通配符类型）

表示通配符泛型，比如 ?、? extends Number、? super Integer

public class WildcardExample {
    List<? extends Number> numbers;
    
    public void examine() {
        Field field = WildcardExample.class.getDeclaredField("numbers");
        Type type = field.getGenericType();
        if (type instanceof ParameterizedType) {
            Type[] actualTypeArguments = ((ParameterizedType) type).getActualTypeArguments();
            WildcardType wildcard = (WildcardType) actualTypeArguments[0];
            Type[] upperBounds = wildcard.getUpperBounds(); // 获取上界
            Type[] lowerBounds = wildcard.getLowerBounds(); // 获取下界
        }
    }
}

主要使用场景：

反射获取泛型信息
泛型类型系统的实现
框架开发中的类型判断和处理
注解处理器的开发
序列化/反序列化框架

这些类型系统的实现让 Java 能够在运行时获取和处理泛型信息，尽管 Java 的泛型是通过类型擦除实现的，但通过这些接口我们仍然可以在运行时获取到泛型的类型信息。

基本语法

java 的泛型没有 template 关键字。

三种基本概念：

Type Parameter（类型形参）：在泛型类、接口或方法声明时使用的标识符。
- class Box<T> 中的 T。
Type Variable（类型变量）：类型参数在代码中的引用。
- 可以认为是类型参数的一个”实例”。在 class Box<T> { T value; } 中，字段类型T是一个类型变量。许多文档中”类型参数”和”类型变量”可互换使用。

Type Argument（类型实参）：在使用泛型类型时，提供的具体类型。

在调用或实例化时提供。Box 中的 Integer。

// 类型参数T在类声明中引入
public class List<T> {
    // T用作类型变量
    private T[] elements;
    
    // T继续用作类型变量
    public void add(T element) {...}
    
    // E是新的类型参数，用于此方法
    public <E> void addAll(Collection<E> items, Function<E, T> converter) {...}
}

// String是类型实参，实例化时提供
List<String> names = new ArrayList<>();

泛型方法的 type variable 在 modifier（public static）和return value之间。
List<T> 是 generic type。List<String>是 Parameterized type。

绑定类型（bounding type）

在Java泛型的上下文中，”bound”一词最准确的翻译是“边界”(boundary)而非”绑定”。Java官方文档一致使用”upper bound”(上边界)和”lower bound”(下边界)这样的术语，这些术语在数学和集合论中表示边界概念。

明确要绑定 type variable 到某个类型-得到 type argument，才可以在接下来的方法里调用那个类型的方法，如需要 compareTo 方法，就必须<T extends Comparable<T>>。extends本身可以后接多个绑定类型，用&分隔。

递归泛型边界模式（Recursive Generic Type Bounds）

这是被称作”F-bounded多态”（F-bounded polymorphism）或”递归泛型边界”的高级泛型设计模式。

1 2	`public class RepresentationModel<T extends RepresentationModel<? extends T>> { }`

T必须是RepresentationModel的子类
并且这个子类的泛型参数必须是T自身或T的某个子类

RepresentationModel - type parameter 是 -> T <- 是子类，且这个子类的 type argument 是 T 自己 - RepresentationModel。

如果不使用这种类型：

// 不使用递归泛型
public class ResourceModel {
    public ResourceModel addLink(String rel, String href) {
        // 添加链接的逻辑
        return this;
    }
}

public class UserModel extends ResourceModel {
    private String username;
    // 其他用户特有属性和方法...
}

那么使用时会遭遇编译错误：

UserModel user = new UserModel();
// 返回类型是ResourceModel，而不是UserModel
ResourceModel result = user.addLink("self", "/users/123"); 
// 编译错误：ResourceModel类型没有getUsername()方法
String username = result.getUsername();

这个问题的核心是，有些 fluent API 本身返回自身，这种自身不能返回子类时，父子混合 build 会产生奇怪的问题。

解法：

public class RepresentationModel<T extends RepresentationModel<? extends T>> {
    public T addLink(String rel, String href) {
        // 添加链接的逻辑
        return self();
    }
    
    @SuppressWarnings("unchecked")
    private T self() {
        return (T) this;
    }
}

public class UserModel extends RepresentationModel<UserModel> {
    private String username;
    
    public String getUsername() {
        return username;
    }
}

使用时：

UserModel user = new UserModel();
// 现在返回类型仍然是UserModel
UserModel result = user.addLink("self", "/users/123");
// 完全类型安全，编译通过
String username = result.getUsername();

这种方案的做法是：

父类所有方法都使用 T 作为 type variable。在父转子的时候，使用转型，忽略警告。
流式调用的时候都转为自己。

核心优势：

类型安全的方法链：子类调用父类方法时返回的仍然是子类类型
代码复用：父类可以实现通用功能，子类无需重写这些方法
IDE支持：智能提示和自动完成可以正确显示返回对象的可用方法

这种模式广泛应用于各种Java库中：

Java的Enum<E extends Enum<E>>。
- public abstract class Enum<E extends Enum<E>> implements Comparable<E>, Serializable {}
  - 确保类型安全：> 这种递归泛型定义确保了枚举类型只能被其子类实例化
  - 提供类型正确的方法：使得像 compareTo 这样的方法能够正确接收子类类型的参数
  - 实现自引用泛型：允许枚举类引用自身类型
JPA的CriteriaBuilder
Stream API-易被忽略
各种构建器模式实现

类型擦除（type erasure）

类型擦除的结果的是将 type variable 替换成绑定类型（bounding types）的 ordinary class（或者说使用 raw type 的 class）。
有了类型擦除，所有的泛型表达式都是可以被翻译的。带有泛型的代码被编译器翻译后通常分为两个部分：1. ordinary class，带有 bounding type，2. casting code，带有类型转换的代码。
cast code 是为了保证类型安全而存在的。
假设B extends A<C>，我们调用calc(new C())的时候，父类型的相关方法总是会被擦除到 bounding type（假定 C 的擦除类型是 Object），所以子类的方法也带有这个 bounding type 的方法实现calc(Object object)，但为了保持多态，编译器又生成了一个calc(C c)（相当于做了一次重载），真正要使用多态，就必须产生一个 synthesized bridge method，执行calc(Object object) {calc((C)object);}。这个东西是为了保持多态（preserve polymorphism）。泛型集成对比点 1。
为了兼容性（compatibility）考虑，A a = new A<String>() 之类的赋值（从泛型到擦除类型的赋值总是会成立的）总是会成立，但编译器总是会报 warning。猫插入狗列表中问题，只有在真实地 set 和 get 操作时才会发生。在 Jackson 中经常遇见如下问题：实际反序列化的生成 class 是 LinkedHashMap，但Entity<A<B>> = JsonUtil.toObject(str)等还是会赋值成功（此处实际得到的是A<LinkedHashMap>）。

Type Witness 类型见证/目击者

// 抽象模式
SomeClass.<TypeName>methodName(arguments)
// 当没有足够的上下文进行推断时：
var result = Collections.<String>emptyList(); // 没有var需要Type Witness
// 在复杂的泛型嵌套中：
someMethod(Collections.<Map<String, Integer>>emptyList());

// 在 java7 及以前，这行代码可能不能编译。processStringList 可能是个泛型，而实参赋值的时候无法推导列表类型
processStringList(Collections.emptyList());

其中第二种情况更常见，如果方法调用/=左边有足够的目标类型，编译器不会产生有歧义的推导（Inference）路径。

泛型不能做什么

所有泛型的 bug 都与一个基本假设有关，在虚拟机里运行的类型实际上使用的是 raw type，不注意这一点就可能出错。parameterized type vs raw type。

不能使用基本类型实例化 type parameters。
动态类型识别只能在 raw type 上工作，也就是 instanceof、Class ==、getClass() 这类操作都只能当做 raw type 工作。
不能创建 parameterized type 的数组（Pair<Sring>[] a = new Pair<String>[1]是不可能的）
但可以赋值到泛型数组，见下一条。
类型参数可以和 vargargs 一起工作，如果使用@safevarargs连警告都不会有。也就是说这样的语句是成立的Pair<String>[] pair = makePairs(pair1, pair2)（这一条破坏了第三条规则）。但泛型数组还是危险的，因为它是协变（covariant）的。泛型数组适合被写，但不适合被读。尽量避免使用它，否则会出现很奇怪的运行时错误。
不能初始化 type variables，最常见的非法写法是new T()（但 T t 是很常见的）。一个 workaround 是在使用 T 的地方都使用Class<T>，然后借反射来生成对应的对象。
不能创建泛型数组（T[] a = new T[1]）。
泛型类的 type variables 不能在它的 static 上下文里工作。但静态方法自己可以有 type variables。各有各的泛型。
不能抛出和捕获异常类。
巧妙地使用泛型，可以破坏 checked exception 的限制
因为每个泛型方法都有一个兜底的 raw type 方法兜底，如果兜底方法和父类的非泛型方法相冲突（clash），编译会报错。举例，永远不要写boolean equals(T object)，因为编译器会擦除出 boolean equals(Object object)，制造同签名的方法，连重载都算不上。

泛型能够做什么

type variable 可以拿来做目标参数，如T t = get()和(T)。

通配符（wildcard）

？是通配符。
？ extends T 作为一个 type parameter 证明可以在此处读。Pair<? extends Employee>意味着它的子类可以是Pair<Employee>和Pair<Manager>。
？ super T 作为一个 type parameter 证明可以在此处写。Pair<? super Employee>意味着它的子类可以是Pair<Employee>和Pair<Object>。

LocalDate是ChronoLocalDate的子类（顺序就是这样，没有反过来），但 ChronoLocalDate 已然实现了 comparable<ChronoLocalDate>。这时候 LocalDate 的比较方法就应该声明成<T extends Comparable<? super T>>- 这是 comparable 的标准泛型方案。从 A 派生出 B，则 B 的 comparable 方法必须声明为可以支持 super 的类型，这样对 A 的 compare 才能同时兼容 A、B - 而不只是 B，Lists 的 removeIf 方法的谓词同理。（泛型集成对比点 2）

通配符的存在实际上是为了放松“泛型不能支持协变”，而需要让程序员灵活使用多种实际类型做的一个妥协。

举例，Java 8 中的 ArrayList 有个 removeIf 的方法，它的参数是个 predicate，但这个 predicate 的实参可以是，比如 Employee，也可以是 Object（用上了 super）。

Pair<?>是个没用窝囊（wimpy）的类型，它的setFirst(? object) 方法甚至无法被使用（试想，setFirst 怎样确定它的设值是兼容某个类型的？，？实际上近于 ? extends）。但如果有些场景只是从某类Pair<T>内部读值，那么Pair<?>比Pair<T> 更加简洁易读。

通配符捕获

? 不是 type variable，是 wildcard variable。

? a = Pair.getFirst() 是不合法的。
引入一个 T 来捕获通配符，就可以执行这个方法：

public void <T> swapHelper(Pair<T> pair) {
    // 只要不返回这个 a，就不会有编译问题，在方法体内可以随意使用 a。用有值的实例来获取泛型变量。
    T a = Pair.getFirst();
}

// 甲骨文的例子
public class WildcardFixed {

    void foo(List<?> i) {
        fooHelper(i);
    }

    // Helper method created so that the wildcard can be captured
    // through type inference.
    private <T> void fooHelper(List<T> l) {
        l.set(0, l.get(0));
    }

}

在这里，T 捕获了通配符。T 不知道？的具体类型，但知道它是某个确定类型。

编译器只有在确定 T 可以捕获确定的通配符的时候才允许编译通过。例如List<Pair<?>> 多了一个间接层，一个 list 可能有不同的 pair，持有不同的具体类型，编译器不会允许 List<Pair<T>>产生捕获。

另一个例子：

public TestClass {
    
   // 任何相关的问题都可以写一个成员类来直接通过反射来实验
   private List<? extends Number> listNum;
   
   @Test
    @SuppressWarnings("unchecked")
    void testGetWildCardType() throws NoSuchFieldException {
    
        final Field fieldNum = TestClass.class.getDeclaredField("listNum");
        // genericType几乎必然是 ParameterizedTypeImpl 的实例
        final Type genericType = fieldNum.getGenericType();
        final ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) genericType;
        final Type[] actualTypeArguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();
        for (Type actualTypeArgument : actualTypeArguments) {
            // wildCard 隐藏在 actualTypeArguments 里，不隐藏在
            if (actualTypeArgument instanceof WildcardType) {
                final WildcardType wildcardType = (WildcardType) actualTypeArgument;
                final Type[] lowerBounds = wildcardType.getLowerBounds();
                // 所有的 bound 都是 class
                log.info(Arrays.toString(lowerBounds));
                final Type[] upperBounds = wildcardType.getUpperBounds();
                log.info(Arrays.toString(upperBounds));
            }
        }

        Assertions.assertTrue(true);
    }
}

泛型与反射

泛型与 class

String.class 是Class<String>的一个 object。

Class 的 type variable 实际上限制了它方法的种种返回值。

反射能够在擦除后知道些什么

可以知道的以下东西：

一个方法或者类型有个 type parameter T。
T 有 super 或者 extends 的 bound。
T 有个 wildcard variable。

不可以知道的东西

到底运行时绑定的 type parameter 是什么？

反射的类型 hiarachy

反射的基础类型是 Type 接口，它有五个子类：

Class 类，描述具体类型（而不是接口）。我们常见的类型如果本身不带有<>就属于这一类型。对 Java 1.5 以后的泛型，一个 Map.class 和Map<String, Integer>的 class 在求等上完全相等，但唯有引入其他 Type 子类才能说明 String 和 Integer 的存在。
TypeVariable 接口，描述类型参数，如 T
WildcardType 接口，描述通配符，如？。它必然可以找到 up bound（最起码有 Object），不一定有 down bound。
ParameterizedType 接口，描述泛型类或接口类型，如Comparable<? super T>- 奇怪，是 T 而不是 String。常见的 ParameterizedType 有 Collection 的 Class 实例。可以简单把 ParameterizedType 理解为指向 Collection 类的特殊的 class，它携带的 actualParamters 就是String/Integer 的 class，而 WildcardType 的 bounds 就是 extends A 的那个 A 的class。它还有一个 getRawType（也就是 Map），和 ownerType（也就是 Map 之于 Entry）。
GenericArray 接口，描述泛型数组如 T[]。这可以被用在获取方法参数上。获取到具体参数以后，可以把它转化为 ParameterizedType，然后获取它携带的 actualParamters。

TypeLiteral

有一个可以捕获多重泛型的实参的方案。


 // 1，当我们拿到一个Class，用Class. getGenericInterfaces()方法得到Type[]，也就是这个类实现接口的Type类型列表。
 // 2，当我们拿到一个Class，用Class.getDeclaredFields()方法得到Field[]，也就是类的属性列表，然后用Field. getGenericType()方法得到这个属性的Type类型。
 // 3，当我们拿到一个Method，用Method. getGenericParameterTypes()方法获得Type[]，也就是方法的参数类型列表。

 /**
 * This constructor must be invoked from an anonymous subclass
 * as new TypeLiteral<. . .>(){}.
 */
public TypeLiteral()
{
   // 
   Type parentType = getClass().getGenericSuperclass();
   if (parentType instanceof ParameterizedType) 
   { 
      // 重要：这里得到的 Type 是真的 Class 实例，不过做类型判定不能用 instanceof，只能用 assignableFrom。因为 Class 的自身类型和指代类型是不一样的。当然 Type 也可能是 ParameterizedType 等任意子类型，它们也可以通过 getClass 理解自身的类型。
      type = ((ParameterizedType) parentType).getActualTypeArguments()[0];
   }
   else
      throw new UnsupportedOperationException(
         "Construct as new TypeLiteral&lt;. . .&gt;(){}");            
}

// 上述 api 的例子
 public static void main(String[] args) {
     List<String> list = new ArrayList<>();
     Class<? extends List> firstClazz = list.getClass();
     Type genericSuperclass = firstClazz.getGenericSuperclass();
     // java.util.AbstractList<E>
     System.out.println(genericSuperclass);

     ParameterizedType parameterizedSuperType = (ParameterizedType) genericSuperclass;
     Type[] actualTypeArguments = parameterizedSuperType.getActualTypeArguments();
     // E
     Type actualTypeArgument = actualTypeArguments[0];
     System.out.println(actualTypeArgument);

     // java.util.AbstractCollection<E>
     genericSuperclass = firstClazz.getSuperclass().getGenericSuperclass();
     System.out.println(genericSuperclass);

     parameterizedSuperType = (ParameterizedType) genericSuperclass;
     actualTypeArguments = parameterizedSuperType.getActualTypeArguments();
     // E
     actualTypeArgument = actualTypeArguments[0];
     System.out.println(actualTypeArgument);
 }
 
 // 但这个方法有一个例外，如：
 
 private static class StringList extends ArrayList<String> {
 }

 public static void main(String[] args) {
     List<String> list = new StringList();
     Class<? extends List> firstClazz = list.getClass();
     Type genericSuperclass = firstClazz.getGenericSuperclass();
     // java.util.ArrayList<java.lang.String>
     System.out.println(genericSuperclass);

     ParameterizedType parameterizedSuperType = (ParameterizedType) genericSuperclass;
     Type[] actualTypeArguments = parameterizedSuperType.getActualTypeArguments();
     // class java.lang.String 类型不再是 typevariable
     Type actualTypeArgument = actualTypeArguments[0];
     System.out.println(actualTypeArgument);
 }
 
 // 这个例外下面有用。

运行时捕获类型参数的方法

方法一

public class GenericClass<T> {

     private final Class<T> type;

     public GenericClass(Class<T> type) {
          this.type = type;
     }

     public Class<T> getMyType() {
         return this.type;
     }
}

方法二

typetools

方法三

public abstract class TypeReference<T> implements Comparable<TypeReference<T>>
{
    protected final Type _type;
    
    protected TypeReference()
    {
        Type superClass = getClass().getGenericSuperclass();
        if (superClass instanceof Class<?>) { // sanity check, should never happen
            throw new IllegalArgumentException("Internal error: TypeReference constructed without actual type information");
        }
        /* 22-Dec-2008, tatu: Not sure if this case is safe -- I suspect
         *   it is possible to make it fail?
         *   But let's deal with specific
         *   case when we know an actual use case, and thereby suitable
         *   workarounds for valid case(s) and/or error to throw
         *   on invalid one(s).
         */
        _type = ((ParameterizedType) superClass).getActualTypeArguments()[0];
    }
}

这个方法来自于 JDK 5 的作者的博客《super-type-tokens》。

abstract class 保证了这个类型必须通过子类确定，这样 getGenericSuperclass 必定会得到一个 ParameterizedType 而不仅仅是一个 GenericType。
implements Comparable<TypeReference<T>> 并不是真的希望子类覆写一个比较方法，而是希望子类型不要实现成一个 raw type。

保证了这两天 _type 一定是一个 concret class。

各种泛型黑魔法

Optional 里通配符转成类型参数

可见@SuppressWarnings("unchecked") java 的基础库里到处都是。

/**
     * Common instance for {@code empty()}.
     */
    private static final Optional<?> EMPTY = new Optional<>();
    
 public static<T> Optional<T> empty() {
        @SuppressWarnings("unchecked")
        Optional<T> t = (Optional<T>) EMPTY;
        return t;
    }

确认消费类型的两种方法


/**
 * 验证一个类型是不是另一个类型的参数化子类
 * <p>
 * A implements B<C>
 * 则 isGenericSubClass(A.class, B.class, C.class) 为 true
 * 注意，如果存在 D extends C，C extends F
 * D 作为第三个参数返回 true，而 F 返回 false
 *
 * @param subClass                     子类型
 * @param genericSuperClass            超类型，可以是借口
 * @param targetGenericActualParameter 类型实参
 * @return 认定结果
 */
public static boolean isGenericSubClass(Class<?> subClass, Class<?> genericSuperClass, Class<?> targetGenericActualParameter) {

    if (!genericSuperClass.isAssignableFrom(subClass)) {
        return false;
    }
    final Type genericSuperclass = subClass.getGenericSuperclass();

    if (genericSuperclass instanceof ParameterizedType) {
        final ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) genericSuperclass;
        final Type rawType = parameterizedType.getRawType();
        // 这里可以确认 Collection 是不是 Collection-而不是 List
        final boolean rawTypeMatch = rawType == genericSuperClass;
        final Type[] actualTypeArguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();
        // 这两行很重要，基本上能够获取类型实参就靠它了，但我们也只能得到 class
        for (Type type : actualTypeArguments) {
            if (type instanceof Class) {
                if (rawTypeMatch && ((Class<?>) type).isAssignableFrom(targetGenericActualParameter)) {
                    return true;
                }
            }
        }
    }


    final Type[] genericInterfaceTypes = subClass.getGenericInterfaces();
    for (Type genericInterfaceType : genericInterfaceTypes) {
        if (genericInterfaceType instanceof ParameterizedType) {
            final ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) genericInterfaceType;
            final boolean rawTypeMatch = parameterizedType.getRawType() == genericSuperClass;
            final Type[] actualTypeArguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();
            // 这两行很重要，基本上能够获取类型实参就靠它了，但我们也只能得到 class
            for (Type type : actualTypeArguments) {
                if (type instanceof Class) {
                    if (rawTypeMatch && ((Class<?>) type).isAssignableFrom(targetGenericActualParameter)) {
                        return true;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return false;
}

/**
 * isGenericSubClass 的 Spring 版本，只能验证第一个 TypeParameter，验证第二个参数必然返回 false
 *
 * @param subClass                     子类型
 * @param genericSuperClass            超类型，可以是借口
 * @param targetGenericActualParameter 类型实参
 * @return 认定结果
 */
public static boolean isParameterized(Class<?> subClass, Class<?> genericSuperClass, Class<?> targetGenericActualParameter) {
    final ResolvableType generic = ResolvableType.forClass(subClass).as(genericSuperClass).getGeneric();
    return generic.isAssignableFrom(ResolvableType.forClass(targetGenericActualParameter));
}

空泛型数组的拷贝方法

@Override
@SuppressWarnings("unchecked")
public <T> T[] toArray(T[] a) {
    int size = size();
    if (a.length < size)
        return Arrays.copyOf(this.a, size,
                             (Class<? extends T[]>) a.getClass());
    System.arraycopy(this.a, 0, a, 0, size);
    if (a.length > size)
        a[size] = null;
    return a;
}

其他资料

angelikalanger 的 JavaGenericsFAQ。