Java 泛型与数组

泛型与数组,引入泛型后,一个令人惊讶的事实是,不能创建泛型数组。比如,我们可能想这样创建一个Pair的泛型数组。

Pair<Object, Integer>[] options = new Pair<Object, Integer>[]{
        new Pair("酷客教程",7), new Pair("酷客翻译", 2), new Pair("酷客阅读", 1)
};

Java会提示编译错误,不能创建泛型数组。这是为什么呢?我们先来进一步理解一下数组。

类型参数之间有继承关系的容器之间是没有关系的,比如,一个DynamicArray<Integer>对象不能赋值给一个DynamicArray<Number>变量。不过,数组是可以的,看代码:

Integer[] ints = new Integer[10];
Number[] numbers = ints;
Object[] objs = ints;

后面两种赋值都是允许的。数组为什么可以呢?数组是Java直接支持的概念,它知道数组元素的实际类型,知道Object和Number都是Integer的父类型,所以这个操作是允许的。

虽然Java允许这种转换,但如果使用不当,可能会引起运行时异常,比如:

Integer[] ints = new Integer[10];
Object[] objs = ints;
objs[0] = "hello";

编译是没有问题的,运行时会抛出ArrayStoreException,因为Java知道实际的类型是Integer,所以写入String会抛出异常。

理解了数组的这个行为,我们再来看泛型数组。如果Java允许创建泛型数组,则会发生非常严重的问题,我们看看具体会发生什么:

Pair<Object, Integer>[] options = new Pair<Object, Integer>[3];
Object[] objs = options;
objs[0] = new Pair<Double, String>(12.34, "hello");

如果可以创建泛型数组options,那它就可以赋值给其他类型的数组objs,而最后一行明显错误的赋值操作,则既不会引起编译错误,也不会触发运行时异常,因为Pair<Double, String>的运行时类型是Pair,和objs的运行时类型Pair[]是匹配的。但我们知道,它的实际类型是不匹配的,在程序的其他地方,当把objs[0]作为Pair<Object, Integer>进行处理的时候,一定会触发异常。

也就是说,如果允许创建泛型数组,那就可能会有上面这种错误操作,它既不会引起编译错误,也不会立即触发运行时异常,却相当于埋下了一颗炸弹,不定什么时候爆发,为避免这种情况,Java干脆就禁止创建泛型数组。

但现实需要能够存放泛型对象的容器,怎么办呢?可以使用原始类型的数组,比如:

Pair[] options = new Pair[]{
      new Pair<String, Integer>("酷客教程",7),
      new Pair<String, Integer>("酷客翻译", 2),
      new Pair<String, Integer>("酷客阅读", 1)};

更好的选择是,使用泛型容器。目前,可以使用我们自己实现的Dy-namicArray,比如:

DynamicArray<Pair<String, Integer>> options = new DynamicArray<>();
options.add(new Pair<String, Integer>("酷客教程",7));
options.add(new Pair<String, Integer>("酷客翻译",2));
options.add(new Pair<String, Integer>("酷客阅读",1));

DynamicArray内部的数组为Object类型,一些操作插入了强制类型转换,外部接口是类型安全的,对数组的访问都是内部代码,可以避免误用和类型异常。

有时,我们希望转换泛型容器为一个数组,比如,对于DynamicArray,我们可能希望它有这么一个方法:

public E[] toArray()

而希望可以这么用:

DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<Integer>();
ints.add(100);
ints.add(34);
Integer[] arr = ints.toArray();

先使用动态容器收集一些数据,然后转换为一个固定数组,这也是一个常见的合理需求,怎么来实现这个toArray方法呢?可能想先这样:

E[] arr = new E[size];

遗憾的是,如之前所述,这是不合法的。Java运行时根本不知道E是什么,也就无法做到创建E类型的数组。另一种想法是这样:

public E[] toArray(){
    Object[] copy = new Object[size];
    System.arraycopy(elementData, 0, copy, 0, size);
    return (E[])copy;
}

或者使用之前介绍的Arrays方法:

public E[] toArray(){
    return (E[])Arrays.copyOf(elementData, size);
}

结果都是一样的,没有编译错误了,但运行时会抛出ClassCastException异常,原因是Object类型的数组不能转换为Integer类型的数组。

那怎么办呢?可以利用Java中的运行时类型信息和反射机制,Java必须在运行时知道要转换成的数组类型,类型可以作为参数传递给toArray方法,比如:

public E[] toArray(Class<E> type){
    Object copy = Array.newInstance(type, size);
    System.arraycopy(elementData, 0, copy, 0, size);
    return (E[])copy;
}

Class<E>表示要转换成的数组类型信息,有了这个类型信息,Array类的newInstance方法就可以创建出真正类型的数组对象。调用toArray方法时,需要传递需要的类型,比如,可以这样:

Integer[] arr = ints.toArray(Integer.class);

我们来稍微总结下泛型与数组的关系:

  • Java不支持创建泛型数组。
  • 如果要存放泛型对象,可以使用原始类型的数组,或者使用泛型容器。
  • 泛型容器内部使用Object数组,如果要转换泛型容器为对应类型的数组,需要使用反射。

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