为什么多态不以同样的方式处理泛型集合和普通数组？

Question

假设类Dog扩展类Animal：为什么不允许这种多态语句：

List<Animal> myList = new ArrayList<Dog>();

但是，它允许使用普通数组：

Animal[] x=new Dog[3];

Answer 1

其原因是基于Java如何实现泛型。

一个数组示例

使用数组你可以做到这一点（数组是协变的，正如其他人所解释的那样）

Integer[] myInts = {1,2,3,4};
Number[] myNumber = myInts;

但是，如果你试图这样做会发生什么？

Number[0] = 3.14; //attempt of heap pollution

最后一行编译得很好，但是如果你运行这段代码，你可能会得到一个ArrayStoreException 。 因为您试图将double放入整数数组（无论是通过数字引用访问）。

这意味着你可以欺骗编译器，但你不能欺骗运行时类型系统。 这是因为数组就是我们所说的可再生类型 。 这意味着在运行时Java知道这个数组实际上被实例化为一个整数数组，它恰好通过Number[]类型的引用进行访问。

因此，正如您所看到的，有一件事是对象的实际类型，另一件事是您用来访问它的引用类型，对吧？

Java泛型问题

现在，Java泛型类型的问题是类型信息被编译器丢弃，并且在运行时不可用。 此过程称为类型擦除 。 有很好的理由在Java中实现这样的泛型，但这是一个很长的故事，它与二进制兼容现有的代码有关。

但重要的是，由于在运行时没有类型信息，因此无法确保我们不会造成堆污染。

例如，

List<Integer> myInts = new ArrayList<Integer>();
myInts.add(1);
myInts.add(2);

List<Number> myNums = myInts; //compiler error
myNums.add(3.14); //heap polution

如果Java编译器没有阻止你这样做，那么运行时类型系统也不能阻止你，因为在运行时没有办法确定这个列表应该只是一个整数列表。 Java运行时允许你将任何你想要的东西放入这个列表，当它只包含整数时，因为它在创建时被声明为整数列表。

因此，Java的设计者确保您不能欺骗编译器。 如果你不能欺骗编译器（就像我们可以用数组做的那样），你也不能欺骗运行时类型系统。

因此，我们说泛型类型是不可恢复的 。

显然，这会妨碍多态性。 请考虑以下示例：

static long sum(Number[] numbers) {
   long summation = 0;
   for(Number number : numbers) {
      summation += number.longValue();
   }
   return summation;
}

现在你可以像这样使用它：

Integer[] myInts = {1,2,3,4,5};
Long[] myLongs = {1L, 2L, 3L, 4L, 5L};
Double[] myDoubles = {1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0};

System.out.println(sum(myInts));
System.out.println(sum(myLongs));
System.out.println(sum(myDoubles));

但是，如果您尝试使用泛型集合实现相同的代码，则不会成功：

static long sum(List<Number> numbers) {
   long summation = 0;
   for(Number number : numbers) {
      summation += number.longValue();
   }
   return summation;
}

如果你试图...你会得到编译器错误

List<Integer> myInts = asList(1,2,3,4,5);
List<Long> myLongs = asList(1L, 2L, 3L, 4L, 5L);
List<Double> myDoubles = asList(1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0);

System.out.println(sum(myInts)); //compiler error
System.out.println(sum(myLongs)); //compiler error
System.out.println(sum(myDoubles)); //compiler error

解决方案是学习使用Java泛型的两个强大功能，称为协方差和逆变。

协方差

使用协方差，您可以从结构中读取项目，但不能在其中写入任何内容。 所有这些都是有效的声明。

List<? extends Number> myNums = new ArrayList<Integer>();
List<? extends Number> myNums = new ArrayList<Float>()
List<? extends Number> myNums = new ArrayList<Double>()

你可以从myNums ：

Number n = myNums.get(0); 

因为您可以确定无论实际列表包含什么，它都可以被上传到一个数字（毕竟任何扩展Number的数字都是数字，对吧？）

但是，不允许将任何内容放入协变结构中。

myNumst.add(45L); //compiler error

这是不允许的，因为Java无法保证通用结构中对象的实际类型。 它可以是扩展Number的任何东西，但编译器无法确定。 所以你可以阅读，但不能写。

逆变

有了逆转，你可以做相反的事情。 你可以把东西放到一个通用的结构中，但你不能从中读出来。

List<Object> myObjs = new List<Object();
myObjs.add("Luke");
myObjs.add("Obi-wan");

List<? super Number> myNums = myObjs;
myNums.add(10);
myNums.add(3.14);

在这种情况下，对象的实际性质是对象列表，并且通过逆变，您可以将Numbers放入其中，主要是因为所有数字都将Object作为它们的共同祖先。 因此，所有Numbers都是对象，因此这是有效的。

但是，假设您将获得一个数字，则无法安全地从这个逆变结构中读取任何内容。

Number myNum = myNums.get(0); //compiler-error

如您所见，如果编译器允许您编写此行，则会在运行时获得ClassCastException。

获取/放置原则

因此，当您只打算从结构中获取通用值时使用协方差，当您只打算将通用值放入结构时使用逆变，并在您打算同时使用完全通用类型时使用。

我所拥有的最好的例子是，将任何类型的数字从一个列表复制到另一个列表中。 它只从源头获取物品，它只将物品放入命运。

public static void copy(List<? extends Number> source, List<? super Number> destiny) {
    for(Number number : source) {
        destiny.add(number);
    }
}

由于协方差和逆变的力量，这适用于这样的情况：

List<Integer> myInts = asList(1,2,3,4);
List<Double> myDoubles = asList(3.14, 6.28);
List<Object> myObjs = new ArrayList<Object>();

copy(myInts, myObjs);
copy(myDoubles, myObjs);

Answer 2

数组在两个重要方面与通用类型不同。 首先，数组是协变的。 这个可怕的单词意味着如果Sub是Super的子类型，那么数组类型Sub []是Super []的子类型。 相反，泛型是不变的：对于任何两个不同类型Type1和Type2，List <Type1>既不是子类型也不是List <Type2>的超类型。

[..]数组和泛型之间的第二个主要区别是数组是有效的[JLS，4.7]。 这意味着数组在运行时知道并强制执行其元素类型。

[..]相反，泛型是通过擦除实现的[JLS，4.6]。 这意味着它们仅在编译时强制执行其类型约束，并在运行时丢弃（或擦除）其元素类型信息。 擦除允许泛型类型与不使用泛型的遗留代码自由互操作（第23项）。 由于这些基本差异，阵列和泛型不能很好地混合。 例如，创建泛型类型，参数化类型或类型参数的数组是非法的。 这些数组创建表达式都不合法： new List <E> []，new List <String> []，new E [] 。 所有这些都会在编译时导致通用数组创建错误。[..]

Prentice Hall - 有效的Java第2版

Answer 3

那非常有趣。 我不能告诉你答案，但是如果你想将Dogs列表放入动物列表中，这是有效的：

List<Animal> myList = new ArrayList<Animal>();
myList.addAll(new ArrayList<Dog>());

Answer 4

编译集合版本以便编译的方法是：

List<? extends Animal> myList = new ArrayList<Dog>();

你不需要使用数组的原因是由于类型擦除 - 非基元的数组都只是Object[]而java数组不是类型的类（比如集合）。 该语言从未被设计为迎合它。

数组和泛型不混合。

Answer 5

List<Animal> myList = new ArrayList<Dog>();

是不可能的，因为在那种情况下你可以把猫放入狗：

private void example() {
    List<Animal> dogs = new ArrayList<Dog>();
    addCat(dogs);
    // oops, cat in dogs here
}

private void addCat(List<Animal> animals) {
    animals.add(new Cat());
}

另一方面

List<? extends Animal> myList = new ArrayList<Dog>();

是可能的，但在这种情况下，你不能使用泛型参数的方法（只接受null）：

private void addCat(List<? extends Animal> animals) {
    animals.add(null);      // it's ok
    animals.add(new Cat()); // compilation error here
}

Answer 6

最终的答案就是这样，因为Java是这样指定的。 更确切地说，因为这是Java规范演变的方式^* 。

我们不能说Java设计者的实际想法是什么，但考虑一下：

List<Animal> myList = new ArrayList<Dog>();
myList.add(new Cat());   // compilation error

与

Animal[] x = new Dog[3];
x[0] = new Cat();        // runtime error

将在此处抛出的运行时错误是ArrayStoreException 。 这可能会在任何非基元数组的任何赋值上抛出。

人们可以说Java对数组类型的处理是错误的...因为上面的例子。

^{*请注意，在Java 1.0之前指定了Java数组的类型，但是只在Java 1.5中添加了泛型类型。 Java语言具有向后兼容性的总体元要求; 即语言扩展不应该破坏旧代码。 除此之外，这意味着无法修复历史错误，例如数组键入的工作方式。 （假设接受这是一个错误......）}

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在泛型类型方面，键入erasure des不解释编译错误。 由于使用非擦除泛型类型进行编译类型检查，实际上发生了编译错误。

实际上，您可以通过使用取消选中类型转换（忽略警告）来破坏编译错误，最终导致ArrayList<Dog>在运行时实际包含Cat对象。 （ 这是类型擦除的结果！）但要注意，使用未经检查的转换对编译错误的颠覆可能导致意外地点的运行时错误......如果你弄错了。 这就是为什么这是一个坏主意。

Answer 7

在泛型之前的几天，编写一个可以对任意类型的数组进行排序的例程将要求能够（1）以协变方式创建只读数组，并以独立于类型的方式交换或重新排列元素，或者（2）创建可以安全读取的协变方式的读写数组，可以使用先前从同一数组中读取的内容安全地编写，或者（3）使数组提供一些与类型无关的元素比较方法。 如果从一开始就在语言中包含了协变和逆变通用接口，那么第一种方法可能是最好的，因为它可以避免在运行时执行类型检查的需要以及这种类型检查的可能性可能会失败。 尽管如此，由于不存在这样的通用支持，因此除了基类型数组之外，没有任何派生类型数组可以合理地转换为其他类型。