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诊断 Java 代码：轻松掌握 Java 泛型类型（二）
Eric E. Allen（eallen@cs.rice.edu）
博士研究生，Java 编程语言小组，莱斯大学(选自IBM中国)
泛型类型的限制
双刃剑
参考资料
关于作者
对本文的评价
专栏图标这个月，Eric Allen 继续讨论 JSR-14 和 Tiger 中的泛型类型（generic type）。他概括了在这些 Java 扩展中强制实施的几个限制，并说明这些扩展语言的编译器所使用的实现策略如何使这些限制必然存在。请在与本文一起提供的论坛中与作者和其他读者分享您对本文的心得。（您也可以单击本文顶部或底部的“讨论”来访问论坛。）

J2SE 1.5 — 代号为“Tiger” — 计划在 2003 年年底发布，它将包括泛型类型（如在 JSR-14 原型编译器中预先展示的那样，现在可下载获得）。在第 1 部分中，我们讨论了泛型类型的基础知识，以及为什么它们是对 Java 语言的一个重要且迫切需要的补充。我们还说明了为 Tiger 制定的泛型类型的实现怎么会包含数个“缺陷”，这些缺陷限制了可以使用泛型类型的上下文。

为了帮助新程序员有效地使用泛型类型，我将详细说明到底泛型类型的哪些用法在 Tiger 和 JSR-14 中是被禁止的，并将说明为什么这些限制是 JSR-14（理所当然还有 Tiger）为了在 JVM 上兼容地实现泛型类型所使用的实现策略的必然结果。

泛型类型的限制
让我们先查阅一下 Tiger 和 JSR-14 中泛型类型的使用限制：

  • 不应在静态成员中引用封闭类型参数。
  • 不能用基本类型实例化泛型类型参数。
  • 不能在数据类型转换或 instanceof 操作中使用“外露”类型参数。
  • 不能在 new 操作中使用“外露”类型参数。
  • 不能在类定义的 implements 或 extends 子句中使用“外露”类型参数。

为什么会有这些限制呢？这要归因于 Tiger 和 JSR-14 为在 JVM 上实现泛型类型所使用的机制。由于 JVM 根本不支持泛型类型，所以这些编译器“耍了个花招”，使得似乎存在对泛型类型的支持 — 它们用泛型类型信息检查所有的代码，但随即“擦除”所有的泛型类型并生成只包含普通类型的类文件。

例如，将象 List<T> 这样的泛型类型擦除得只剩下 List。“外露”类型参数 — 单独出现而不是位于某个类型中的类型参数（如类 List<T> 中的类型参数 T）— 被简单地擦除成它们的上界（就 T 而言，其上界就是 Object）。

这一技术的功能极其强大；我们可以使几乎所有泛型类型的精度得到增强，但又与 JVM 保持兼容。事实上，我们甚至可以交替地使用非泛型的旧类（比如 List）和其对应的泛型类（List<T>）；两者在运行时看起来是一样的。

遗憾的是，正如以上的限制所示，获得这一功能是有代价的。以这种方式进行擦除在类型系统中引入了缺陷，这些缺陷限制我们使用泛型类型的安全性。

为了帮助说明每种限制，我们查阅会出现这些限制的示例。在本文中，我们将讨论前三个限制。与后两个限制有关的问题过于复杂，因而需要更深入的研究，留待下一篇文章讨论。

静态成员中的封闭类型参数
编译器完全禁止在静态方法和静态内部类中引用封闭类型参数。所以，举例来说，以下代码在 Tiger 中就是非法的：

清单 1. 在静态上下文中非法引用封闭类型参数 
class C<T> {
  static void m() {
    T t;
  }

  static class D {
    C<T> t;
  }
}

当编译这一代码时，会生成两个错误：

  • 在静态方法 m 中非法引用 T 的错误
  • 在静态类 D 中非法引用 T 的错误

当定义静态字段时，情况变得更加复杂。在 JSR-14 和 Tiger 中，在泛型类的所有实例中共享该类中的静态字段。现在，在 JSR-14 编译器 1.0 和 1.2 中，如果您在静态字段声明中引用类型参数，编译器不会报错，但它本应该这么做。字段被共享这一事实很容易在运行时导致奇怪的错误，如在不包含数据类型转换的代码中出现 ClassCastException。

例如，以下程序将在这两个版本的 JSR-14 下通过编译而没有任何警告：

清单 2. 在静态字段中对封闭类型参数的有问题的引用 
class C<T> {
  static T member;

  C(T t) { member = t; }

  T getMember() { return member; }

  public static void main(String[] args) {
    C<String> c = new C<String>("test");
    System.out.println(c.getMember().toString());
    new C<Integer>(new Integer(1));
    System.out.println(c.getMember().toString());
  }
}

请注意，每次分配类 C 的实例时，都要重新设置静态字段 member。而且，它被设置成的对象类型取决于 C 的实例的类型！在所提供的 main 方法中，第一个实例 c 是 C<String> 类型。而第二个是 C<Integer> 类型。每当从 c 访问 member 这一共享静态字段时，总是假定 member 的类型是 String。但是，在分配了类型为 C<Integer> 的第二个实例之后，member 的类型是 Integer。

运行 C 的 main 方法的结果可能会让您吃惊 — 它将发出一个 ClassCastException！源代码根本没有包含任何数据类型转换，怎么会这样呢？事实证明编译器确实在编译阶段将数据类型转换插入到代码中，这样做是为了解决类型擦除会降低某些表达式的类型的精度这一事实。这些数据类型转换被期望能够成功，但在本例中却没有成功。

应该认为 JSR-14 1.0 和 1.2 的这一特殊“功能”是个错误。它破坏了类型系统的健全性，或者可以说，它破坏了类型系统应该和程序员达成的“基本契约”。象对静态方法和类所做的那样，只要防止程序员在静态字段中引用泛型类型，情况就会好很多。

请注意允许这种有潜在“爆炸性”的代码存在所带来的问题并不是程序员有意在自己的代码中覆盖类型系统。问题是程序员可能会无意中编写这样的代码（比如，由于“复制和粘贴”操作，错误地在字段声明中包括静态修饰符）。

类型检查器应该能帮助程序员从这些类型的错误中恢复，但对于静态字段而言，类型系统实际上会使程序员更迷惑。当未使用数据类型转换的代码中显示的唯一错误就是 ClassCastException 时，我们应如何诊断这样的错误？对于不清楚 Tiger 中泛型类型所用的实现方案而又恰好假定类型系统合理运行的程序员而言，情况更糟。因为在这样的情况下，类型系统不是合理地运行。

幸运的是，JSR-14 的最新版本（1.3）宣布在静态字段中使用类型参数是不合法的。因此，我们有理由期待在 Tiger 的静态字段中使用类型参数也是不合法的。

泛型类型参数和基本类型
和我们刚才讨论的不同，这一限制没有同样的潜在缺陷，但它会使您的代码非常冗长。例如，在 java.util.Hashtable 的泛型版本中，有两种类型参数：用于 Key 类型的和用于 Value 类型的。因此，如果我们想要一个将 String 映射到 String 的 Hashtable，我们可以用表达式 new Hashtable<String, String>() 指定新的实例。但是，如果我们想要一个将 String 映射到 int 的 Hashtable，我们只能创建 Hashtable<String, Integer> 的实例，并将所有的 int 值包装在 Integer 中。

同样，Tiger 在这方面当然也是由所用的实现方案得到的。既然类型参数被擦除为它们的界限，而界限不能是基本类型，所以一旦类型被擦除，则对基本类型的实例化会完全没有意义。

数据类型转换或 instanceof 操作中的“外露”参数
回想一下，对于“外露”类型参数，我们是指在词汇上单独出现的类型参数，而不是更大类型的语法子组件。例如，C<T> 不是“外露”类型参数，但（在 C 主体中）T 是。

如果在代码中对“外露”类型参数进行数据类型转换或 instanceof 操作，则编译器将发出名为“unchecked”的警告。例如，以下代码将生成警告：Warning: unchecked cast to type T：

清单 3. 带 unchecked 操作的泛型代码 
import java.util.Hashtable;
interface Registry {
  public void register(Object o);
}
class C<T> implements Registry {
  int counter = 0;
  Hashtable<Integer, T> values;

  public C() {
    values = new Hashtable<Integer, T>();
  }

  public void register(Object o) {
    values.put(new Integer(counter), (T)o);
    counter++;
  }
}

您应该严肃地对待这些警告，因为它们说明您的代码在运行时会表现得非常奇怪。事实上，它们会使得诊断代码变得极为困难。在以前的代码中，我们认为如果对实例 C<JFrame> 调用 register("test")，会发出 ClassCastException。但并非如此；计算将继续，就仿佛数据类型转换成功了一样，然后在进一步进行计算时发出错误，或者更糟：用遭破坏的数据完成计算，但不向外发出任何错误信号。同样，对“外露”类型参数的 instanceof 检查将在编译时产生“unchecked”警告，而且检查将不会如期在运行时进行。

双刃剑
那么，这里到底发生了什么？因为 Tiger 依靠类型擦除，所以数据类型转换和 instanceof 测试中的外露类型参数被“擦除”为它们的上界（在前面的例子中，那将是类型 Object）。因此，对类型参数的数据类型转换将变成对参数上界的转换。

同样，instanceof 将检查操作数是否是参数界限的 instanceof。那根本不是我们打算做的，如果是的话，我们完全可以显式地强制转换为界限。因此，通常应避免对类型参数使用数据类型转换和 instanceof 检查。

然而，有时为了编译代码，您必须依靠对类型参数的数据类型转换。如果是这样的情况，只要记住，在代码的那一部分中，类型检查不保险 — 要靠自己。

尽管泛型类型是制作健壮代码的强大武器，但我们已经演示了误用它们会使代码不再健壮而且极难诊断和修正。下次，我们将介绍 Tiger 中泛型类型的后两个限制，并讨论试图在泛型 Java 类型系统中包括它们时必定会出现的一些问题。

参考资料
关于作者
Eric Allen 在技术和计算机行业有广博的实践知识。他从康奈尔大学获得计算机科学及数学的学士学位，并从莱斯大学获得计算机科学硕士学位，Eric 目前是莱斯大学 Java 编程语言小组的博士研究生。Eric 的研究主要集中在源代码和字节码级别上 Java 语言的语义模型和静态分析工具的开发。他关注的领域还有通过语义形式和类型检查对安全性协议进行验证。

Eric 是 DrJava 项目的项目经理和创始人之一，该项目是为初学者设计的开放源码 Java IDE；他还是莱斯大学 NextGen 编程语言的实验性编译器的首席开发人员，这一编程语言是添加了实验性功能的 Java 语言的扩展。Eric 已经为在线杂志 JavaWorld 主持了几个 Java 论坛。除了这些活动之外，Eric 还向莱斯大学计算机科学专业的本科生讲授软件工程。您可以通过 eallen@cs.rice.edu 与 Eric 联系。
 

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