范型的深度剖析

猎豹奕叔
60 阅读7分钟

大家好，我是奕叔😈，一个工作八年快退休的程序员，微信：lyfinal，交个朋友，一起交流Java后端技术，相互成长，成为更优秀的🐒～

先看一段例子，定义一个简单的泛型类 Some<T> 

import java.util.function.Consumer;
import java.util.function.Supplier;

public final class Some<T> {

    private final T value;

    private Some(final T t) {
        this.value = t;
    }

    static <T> Some<T> of(final Supplier<T> supplier) {
        return new Some<>(supplier.get());
    }

    public Some<T> peek(final Consumer<T> consumer) {
        consumer.accept(value);
        return this;
    }

    public T get() {
        return value;
    }
}

这个类很简单，他的值由一个 supplier 函数通过静态工厂方法提供，还有额外两个方法 peek 、 get .

注意 peek 返回的是 this ,这样方便链式调用。

public static void main(String[] args) {
        Some<List<? extends CharSequence>> some =
                Some.of(() -> Arrays.asList("a", "b", "c"));

        System.out.println(some.get());
}

上面这段代码一如预期的正常编译，并且打印结果 [a, b, c] . 下面我们做点小改动，链式调用 peek .

将 System.out.println 作为 consumer 传入 peek 。

 public static void main(String[] args) {
     //❌编译错误
        Some<List<? extends CharSequence>> some =
                Some.of(() -> Arrays.asList("a", "b", "c")).peek(System.out::println);
    }

上面的代码将会产生出乎预料的结果，无法正常编译。

编译器报类型不兼容的原因，是因为Java泛型是 invariant (可以参见covariant VS invariant)。

子类型关系不会扩展到参数化类型，也即是如果 T 是 S 的子类型，不能推断出 C<T> 是 C<S> 的子类型。

那为什么上面第一个列子调用方式没有 peek 可以， peek 返回 this ，和 of 返回结果一样，第二个例子调用却不可以。

这里涉及到Java8引入的泛型目标类型推断(JEP 101: Generalized Target-Type Inference)，泛型推断让编译器能够利用上下文信息来推断出合理的类型。下面逐步分析。

笔者所用的 IDE 是 IntelliJ IDEA , 这里有个小技巧， Mac 下按住 Command ( Window 下应该是 Ctrl , 待验证) 键同时将光标移动到泛型方法上，既可以看出Java编译器根据上下文推断出的类型，如果想让浮动弹窗长期保持，按住 Command 的同时将光标移动到浮窗，点击下，这时即可松开 Command , 移走光标浮窗也会保持，若未点击浮窗，则松开 Command 键，浮窗就会消失。

从截图中可以看出编译器推断 类型变量 T  是 List<? extends CharSequence> ， of 返回类型是 Some<List<? extends CharSequence>> ,和表达式左边的类型是一致的。

可以看出编译器推断出类型变量 T 是 List<String> ， peek 返回结果是 Some<List<String>> 类型。和表达式左边的类型是不一样的。

这也就清楚为什么第二个例子会报类型不兼容了。因为  List<? extends CharSequence> 与 List<String> 是不兼容的，原因就是上面提到的 Java泛型是 invariant 。

再看看下面的例子，注意 of 是一个静态工厂方法。

//✅正常编译    
Some<List<? extends CharSequence>> some = 
        Some.of(() -> Arrays.asList("a", "b", "c"))
            .of(() -> Arrays.asList("a", "b", "c"));

第一个 of 推断出 T 是 List<String> ，返回类型是  Some<List<String>> ，第二个 of T 是 List<? extends CharSequence> ，返回类型是 Some<List<? extends CharSequence>> 。

为什么编译器会推断出 T 同时是两个类型？

注意方法声明 of 是一个静态泛型方法，实则前后两个 of 方法的类型变量 T 根本不是同一个，所以可以类型不同，最后赋值给表达式左边的是第二个 of 的返回值，而他们类型是一样的，所以可以正常编译。

实际第一个 of 中 T 无论是 List<String> 还是 List<Integer> , 表达式都合法，因为最终返回类型由链路中最后一个方法决定，只要它的类型和表达式左边被赋值对象类型兼容就合法。

由于 peek 是实例方法，所以他的变量类型 T 其实早已由前面 of 构造出的对象决定了。

那为什么 Some.of(() -> Arrays.asList("a", "b", "c")) 在两个表达式中会推断出不同类型？

这是因为 Some.of(() -> Arrays.asList("a", "b", "c")) 在两个语句中所处的上下文不一样，我们知道泛型目标类型推断，编译器需要结合上下文来推断更合理的具体类型或者是它的子类。

 Some.of(() -> Arrays.asList("a", "b", "c")) 这个语句中，编译器可以推断出类型变量 T 可以为 List<String> 、 List<? extends CharSequence> 、 List<? extends Object> , 但有多个候选类型时，编译器会选择更为具体、继承链中更接近的类型。下面 JLS 关于类型推断的一句描述可以佐证。

第一个截图中， of 所处上下文，编译器既要让 of 的结果类型满足表达式左边的类型（针对类型变量 T ） List<? extends CharSequence>又 要满足入参的类型（List<String> 、 List<? extends CharSequence> 、 List<? extends Object> 任一皆可），这时会取两者交集，所以最终推断出 T 是  List<? extends CharSequence>。

第二个截图中， of 所处上下文并不是表达式链路的最后，他的返回结果不需要赋值给表达式左边的变量，所以编译器类型推断时只需要考虑兼容入参类型，这时会选择三种候选类型中最具体的List<String> 。而后面的 peek 方法实则是 of 构造方法返回对象的实例方法，它的类型已经确定是 List<String> ，故不存在类型推断的过程。 peek 的返回类型也就知道是 Some<List<String> 。

有两种方式可以解决图2调用 peek 的问题：

  1. 现在我们知道图2中的 of 是由于没有提供足够的上下文供编译器参考，所以可以通过显示指定具体泛型类型。
public static void main(String[] args) {
    Some<List<? extends CharSequence>> some =
        Some.<List<? extends CharSequence>>of(() -> Arrays.asList("a", "b", "c"))
        	.peek(System.out::println); //✅
}
  1. 图2是由于 peek 的链式调用，导致前面的 of 失去了返回类型的上下文约束信息，所以可以不采用链式调用，给予编译器更多的上下文信息。
public static void main(String[] args) {
    //✅
    Some<List<? extends CharSequence>> some = Some.of(() -> Arrays.asList("a", "b", "c"));
    some.peek(System.out::println); 
}

下面看道题，根据上面的分析，可以类推下面的使用方式是错误的，因为 new ArrayList<>() 所处的上下文没有提供任何类型约束，编译器只能推断 ArrayList 的类型变量是 Object , Iterator<Object> 自然无法和 Iterator<String> 兼容。

Iterator<String> it = new ArrayList<>().iterator(); //❌

那有没有办法写出一个类型安全的赋值方式？

public static <T> Iterator<T> iter(Iterable<T> i)
{
    return i.iterator();
}

public static void main(String[] args)
{
    Iterator<String> it = iter( new ArrayList<>() ); //✅
                ____________________________/
}

这里 iter 方法所处的上下文，为了满足表达式左边的类型，编译器推断出 T 的类型是 String ，而 new ArrayList<>() 也是泛型，假设他的类型变量是 E ，为了满足 iter 入参的类型, 编译器推断 E 也是 String , 上面的错误实例中之所以 new ArrayList<>() 被推断为 Object , 是因为语句既没有作为返回类型受到赋值类型的约束，也没有作为入参受到方法声明的约束，缺失这些上下文约束提示，编译器只能推断出 Object 。

根据前面的理论知识，你应该不难推测出，下面的写法仅仅是比上面少了结果赋值，那么这种情况由于 iter 缺失返回类型约束，入参本身也是泛型，也不能提供上下文约束条件，所以 iter 的推断结果是 Object , new ArrayList<>() 由于 iter 是 Object ,所以 它的类型变量推断结果也是 Object .

iter( new ArrayList<>() );

下面通过 idea 的自动提取变量来验证我们的猜测。通过选中 1处语句，按下 idea 提取变量快捷键，就会补全成 2这样的语句，这个其实就是通过编译器的泛型目标类型推断来推断变量类型。

iter( new ArrayList<>() ); // 1   

Iterator<Object> iter = iter(new ArrayList<>()); // 2

最后再看看泛型推断在泛型实例化中的作用

没有泛型推断前，我们必须按照@1来实例化泛型类，这种使用方式看起来很累赘，前后都要声明参数化类型。有了泛型推断，就可以用如@2简洁的写法，用一对空尖括号 <> 代替。但是如果你用如@3这种写法，将会得到一个编译器警告⚠️，因为 new HashMap() 表示一个 raw type HashMap （不需要泛型推断），无法确定元素具体类型，因此将 HashMap 类型赋值给 Map<String, List<String>> 会产生警告。

Map<String, List<String>> myMap = new HashMap<String, List<String>>(); //@1

Map<String, List<String>> myMap = new HashMap<>(); //@2

Map<String, List<String>> myMap = new HashMap(); //@3 ⚠️ unchecked conversion warning
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