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Kotlin 和 Java 泛型的局限性、泛型擦除、星投影

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全文分为 视频版文字版

  • 文字版: 文字侧重细节和深度,有些知识点,视频不好表达,文字描述的更加准确
  • 视频版: 视频会更加的直观,看完文字版,在看视频,知识点会更加清楚

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在之前的文章 ​​Kotlin 和 Java 泛型的缺陷和应用场景​​ 中介绍了:

  • 为什么要有泛型
  • Kotlin 和 Java 的协变和逆变的区别和应用场景,
  • Java 数组协变的缺陷
  • 通配符 ​​<? extends>​​​ 、 ​​<? super>​​​ 、 ​​<out>​​​ 、 ​​<in>​​ 的区别和应用场景

而今天这篇文章我们主要介绍泛型擦除和它的局限性,所以通过这篇文章你将学习到以下内容:

  • 能直接实例化泛型吗?
  • 泛型被擦除之后,一定会编译成 ​​Object​​ 类型吗?
  • 为什么无法获取泛型 ​​Class​​ 类型?
  • 为什么要擦除掉泛型?
  • 泛型信息被擦除了之后,泛型信息真的不存在了吗?
  • 迷惑的通配符 ​​?​​ 号和星投影

泛型擦除我相信对于每个开发者并不陌生,先写一段示例代码,实例化泛型 ​​<T>​​,我们花三秒钟思考一下,下面的代码是否可以正常编译。

// Java
public class GenericPersonJava<T> {
GenericPersonJava() {
T t = new T()
}
}

//Kotlin
class GenericPersonKt<T> {
init {
val t: T = T()
}
}

编译会出错,因为 ​​<T>​​​ 被擦除之后,会将 ​​<T>​​​ 编译成 ​​Object​​, JVM 指令如下图所示。

Kotlin 和 Java 泛型的局限性、泛型擦除、星投影_Java

如果传入的泛型参数是 ​​String​​​, 那么泛型被擦除之后,会编译成 ​​Object​​ 类型,类型显然不对,无论是 Java 还是 Kotlin 在编译阶段都无法确定泛型参数的类型,所以为了防止类型问题,编译器不支持直接对泛型实例化,这也是泛型的局限性,不能直接对泛型实例化

如果想实例化泛型,Java 和 Kotlin 通用解决方案,通过 ​​Class​​​ 反射的方式来实例化泛型 ​​<T>​​,我们修改一下上面的代码,即可正常编译运行。

// Java
public class GenericPersonJava<T> {
GenericPersonJava(Class<T> classes) {
T t = classes.newInstance();
}
}

// kotlin
class GenericPersonKt<T>(classes: Class<T>) {
init {
val t: T = classes.newInstance()
}
}

我们在思考一下泛型 ​​<T>​​​ 被擦除之后,一定会编译成 ​​Object​​​ 类型吗? 修改一下上面的代码,给泛型添加上界,在花 3 秒钟思考一下编译后的泛型 ​​<T>​​ 是什么类型。

// Java
public class GenericPersonJava<T extends String> {

}

// Kotlin
class GenericPersonKt<T : String>() {

}

修改后的代码,给泛型添加了上界,即泛型 ​​<T>​​​ 继承自 ​​String​​​,泛型被擦除之后,会被编译成 ​​String​​ 类型,如下图所示。

Kotlin 和 Java 泛型的局限性、泛型擦除、星投影_泛型_02

因此我们可以得出一个结论,无论是 Java 还是 Kotin:

  • 如果泛型没有指定上界 ​​<T>​​​,泛型被擦除之后,会被编译成 ​​Object​​ 类型
  • 如果泛型指定了上界,例如 ​​<T : String>​​​,泛型被擦除之后,会被编译成 ​​String​​ 类型

无法获取泛型 Class 类型

我们在来介绍一下泛型另外一个局限性无法获取泛型 Class 类型,先写一段代码,我们在花 3 秒钟思考一下,以下代码输出的结果是什么。

// Java
public static void main(String... args) {
List<Integer> p1 = new ArrayList<Integer>();
List<Double> p2 = new ArrayList<Double>();
System.out.println(p1.getClass() == p2.getClass());
}

// Kotlin
fun main() {
val p1: List<Int> = ArrayList<Int>()
val p2: List<Double> = ArrayList<Double>()
println(p1.javaClass == p2.javaClass)
}

上面的代码 Java 和 Kotlin 输出的结果都是 ​​true​​​,因为泛型被擦除了之后,无论 ​​ArrayList<Integer>​​​ 还是 ​​ArrayList<Double>​​​ 获取 ​​class​​​ 的时候,获取到的都是同一个 ​​ArrayList class​​。

所以对于一个泛型 ​​ArrayList<T>​​​ 无论 ​​<T>​​​ 是什么类型,编译完了之后都会被擦除掉,最后获取到的都是 ​​ArrayList class​​​ 而不是 ​​ArrayList<T> class​​。

Kotlin 和 Java 泛型的局限性、泛型擦除、星投影_Kotlin_03

为什么要擦除掉泛型?

泛型是 ​​Java 1.5​​ 之后引入的,在之前的版本是没有泛型这个概念,所以为了兼容之前的版本,因此在生成字节码的时候,将泛型信息擦除掉了。

泛型信息被擦除,真的不存在了吗

我们在思考一下泛型信息被擦除了之后,泛型信息真的不存在了吗?我们先写一段代码,看一下编译后的 JVM 指令。

public class GenericJava {
public static void main(String... args) {
ArrayList<Integer> p1 = new ArrayList<Integer>();
}
}

生成的 JVM 指令如下图所示。

Kotlin 和 Java 泛型的局限性、泛型擦除、星投影_Kotlin_04

标记 1 执行 ​​New​​​ 命令创建了 ​​ArrayList​​​ 对象,而不是 ​​ArrayList<Integer>​​​,由此可见泛型信息被擦除了。我们继续往下看有个 ​​LocalVariableTable​​​ 和 ​​LocalVariableTypeTable​​。

  • ​LocalVariableTable​​ 就是我们常说的局部变量表,保存方法参数列表和方法内的局部变量,按照声明的顺序存储,它以数组的形式展示,更多关于局部变量表操作数栈的知识点,欢迎前往查看另外一个篇文章 CPU 如何记录函数调用过程和返回过程。
  • ​LocalVariableTypeTable​​​ 它的数据结构和 ​​LocalVariableTable​​ 是一样的,只不过它是用来保存泛型信息

正如图中 标记 2 所示,我们在代码中编写的泛型 ​​ArrayList<Integer>​​​,泛型信息被擦除掉之后,会保存到 ​​LocalVariableTypeTable​​ 中,所以并没有真正意义上的将泛型相关的信息抹除掉。正因为泛型信息被保存了下来,所以我们在运行时,可以通过反射获取到泛型相关的信息。

无论使用 Java 还是 Kotlin, 定义在类型的上的泛型、定义在方法参数的泛型,定义在方法返回值的泛型、定义在局部变量的泛型、还是定义在全局变量中的泛型,它们的泛型信息都会保存下来。如下图所示。

Kotlin 和 Java 泛型的局限性、泛型擦除、星投影_Kotlin_05

? 号和星投影

Koltin 中的星投影,即泛型 ​​<*>​​​,其实等效于 Java 中的 ​​<?>​​ 号,用于表示不确定泛型是什么类型的信息。我们来看一段代码。

// Java
List<?> list;

// Kotlin
val list: List<*>

上面的代码其实等效于下面的代码。

// Java
List<? extends Object> list;

// Koltin
val list: List<out Any>

  • Java 中的通配符 ​​<?>​​​ 号等效于 ​​<? extends Object>​
  • Kotlin 中的通配符 ​​<*>​​​ 号等效于 ​​<out Any>​

在 Java 中 ​​Object​​ 类是所有类的父类,在 Kotlin 中分为非空可空两种类型,因此 ​​Any​​​ 是所有非空类型的父类,而 ​​Any?​​​ 是所有可空类型的父类。因此我们可以用 ​​Object​​​ 和 ​​Any​​ 来表示。

在 Java 中用通配符 ​​? extends​​​ 表示协变,而在 Kotlin 中关键字 ​​out​​ 表示协变,关于协变和逆变更多的知识点,可以前往查看 ​​90%的人都不知道的知识点,Kotlin 和 Java 的协变和逆变​​。



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