问题

java为什么不支持泛型数组?

回答
好,咱就掰扯掰扯java为啥对泛型数组这事儿这么“矫情”,不直接给你整明白。这事儿啊,说起来也算是一段公案,得从java这门语言设计之初,以及它如何处理类型安全这件大事儿上头说起。

核心矛盾:类型擦除与运行时类型检查的冲突

你得明白java的泛型,尤其是泛型数组这块儿,最大的“绊脚石”就是它的类型擦除(Type Erasure)机制。这是java在引入泛型时为了保持与老版本代码的兼容性而采取的一个策略。

听起来挺高大上,但说白了就是:当你在代码里写 `List list = new ArrayList<>();` 这样的泛型类时,java在编译的时候会把 `String` 这个类型信息给“擦掉”。编译后的字节码里,它依然是 `List list`。那个尖括号``的存在,仅仅是为了在编译阶段帮你检查类型,一旦编译通过了,这层类型信息就没了。

那这跟泛型数组有啥关系呢?

这就触及到java的数组和泛型在设计上的一个根本性区别了。

1. 数组天生就带着“运行时类型信息”

java的数组,它自己是知道自己是什么类型的。比如,你创建一个 `String[] arr = new String[10];` 这个数组,它清楚地知道自己是个`String`的数组。这意味着在运行时,java虚拟机(JVM)可以检查你往这个数组里放东西的时候,是不是`String`类型的。如果你试图放一个`Integer`进去,JVM会立刻抛出 `ArrayStoreException`。这是一种非常严格的运行时类型安全保障。

2. 泛型因为类型擦除,运行时不知道具体的类型

反观泛型,正如上面说的,类型信息在编译后就被擦除了。所以,一个 `List` 在运行时,对JVM来说,它就是一个`List`,具体里面装的是`String`还是`Integer`,它在运行时是不知道的。

冲突点来了:

想象一下,如果java支持泛型数组,比如允许你写 `T[] array = new T[10];` 这样的东西(这里的`T`就是泛型类型)。

那么问题就来了:

运行时JVM怎么知道这个数组里到底应该放`T`类型的对象,还是其他类型的对象?

由于类型擦除了,JVM在运行时只看到一个“数组”,但它不知道这个数组的元素类型到底是什么。如果允许你创建 `MyGenericArray` 这样的东西,然后在运行时把一个`Integer`塞进去,JVM根本没法在运行时去检查你是不是放错了类型。这会严重破坏java一直以来强调的运行时类型安全。

举个例子: 如果java允许你写 `String[] stringArray = new GenericArray[10];` 然后又允许你写 `Object[] objectArray = stringArray;` (这是java数组的协变特性,`String[]`是`Object[]`的子类),并且你往 `objectArray` 里放了一个 `Integer`:`objectArray[0] = new Integer(5);`。

理论上来说,这行代码没有问题,因为 `objectArray` 是个 `Object[]`。但是,由于 `stringArray` 的原始类型是 `String[]`,那么当你从 `stringArray` 里取出元素的时候,你期望得到的是一个 `String`。然而,你现在却取出了一系列的`Integer`。这就导致了潜在的类型不安全,JVM也无法在早期进行拦截。

数组创建时的类型不确定性

另外一个原因是,数组在创建时就必须确定其元素类型。而泛型类型 `T` 的具体类型是在实例化泛型类时才确定的。这意味着,你可能在编译时无法确切地知道你需要创建一个什么类型的数组。

比如,如果java支持 `T[] arr = new T[size];`,那么当 `T` 还没确定的时候,`new T[size]` 这个操作就无从下手了。即使你后面实例化了 `new MyClass()`,然后想用它来创建 `String[]`,按照类型擦除的逻辑,编译后的代码里依然是一个普通数组,它不知道`String`这个约束。

java设计者的权衡与选择

java的设计者面对这个问题,做了个取舍:

安全性优先: 他们选择了牺牲泛型数组的便利性,来保证java的运行时类型安全不被破坏。因为数组的运行时类型检查是java一个非常核心的特性。
兼容性: 保持与老版本代码的兼容性也是一个重要考量。
提供替代方案: 虽然不直接支持泛型数组,java提供了 `ArrayList`、`HashMap` 等泛型集合类,这些集合类在内部管理着类型安全,并且在很多场景下比数组更灵活。你通常可以使用集合类来达到需要泛型数组才能实现的目的。

一些“曲线救国”的方式

虽然java直接不支持泛型数组,但开发者们有一些“曲线救国”的方式来模拟泛型数组的行为,比如:

使用 `Object[]` 并进行强制类型转换:
```java
Object[] array = new Object[10];
// ... 填充 array
String firstElement = (String) array[0]; // 需要手动强制类型转换并承担潜在的ClassCastException
```
这种方式失去了泛型在编译时检查的好处。

使用 `Array.newInstance()` 和 `java.lang.reflect.Array`:
```java
public static T[] createArray(Class componentType, int size) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T[] array = (T[]) Array.newInstance(componentType, size);
return array;
}

// 使用:
String[] stringArray = createArray(String.class, 10);
```
这种方式利用了反射,可以在运行时通过 `Class` 对象知道具体的类型,从而创建一个正确的数组。但这依然需要我们手动传递 `Class` 对象,并且在类型擦除的上下文中,它不如一个原生的泛型数组那么方便。

总结一下,java不支持泛型数组的根本原因,是因为类型擦除机制与数组固有的运行时类型检查机制之间存在不可调和的矛盾。为了维护java的类型安全和兼容性,设计者选择了不支持直接创建泛型数组,转而推荐使用泛型集合类作为替代方案。

这就像是一种“原则问题”,java选择了“宁可麻烦点,也不能丢了我的核心安全保障”。虽然有时候会让开发者觉得有点别扭,但从语言设计的角度看,这是一种相对稳健的选择。

网友意见

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【感谢 @CNife 的指正,下面部分例子已经修正,欢迎大家继续给我挑错 :v】


首先Java号称自己是”类型安全“语言,不会意外怀孕。

       Girl g = new Boy(); //编译器爸爸不允许     


为了确保类型安全,Java数组就非常龟毛:必须明确知道内部元素的类型,而且会”记住“这个类型,每次往数组里插入新元素都会进行类型检查,不匹配会抛出java.lang.ArrayStoreException。

你可以把数组想像成小鸭子,把它第一眼见到的东西认作妈妈。比如下面这段代码,虽然声明的是Object[],但首次实例化成Integer[],这个数组小鸭子就记住了Integer是它妈妈,以后再往里填充String对象,它就不认了。

       Object[] ducks = new Integer[10]; // 小鸭子认定Integer是它妈妈 ducks[0] = "Hello"; // ERROR: ArrayStoreException     


但是!泛型有个什么问题呢?就是泛型是用擦除(Erasure)实现的,运行时类型参数会被擦掉。比如下面的例子,无论你声明的的是List<String>,还是List<Integer>或者原生类List,容器实际类型都是List<Object>所以泛型实际上都是狼外婆,它看上去像外婆,但实际上是大灰狼。

       // 以下三个容器实际类型都是List<Object> List<String> strList = new ArrayList<String>();  List<Integer> intList = new ArrayList<Integer>(); List rawList = new ArrayList();     


所以数组小鸭子遇到泛型狼外婆就要吃苦头了。对数组小鸭子Object[] 来说,GrandMother<RealGrandMother>GrandMother<Wolf>运行时看起来都是GrandMother。 那小鸭子岂不是要被吃掉? 所以有正义感的程序员哥哥就禁止掉了这件事。

           public static void main(String[] args) {         GrandMother<RealGrandMother>[] gm = new GrandMother<RealGrandMother>[3]; // 真外婆         Object[] ducks = gm; // 我们告诉数组小鸭子,只有见到外婆才能开门         ducks[0] = new GrandMother<Wolf>(); // 运行时狼外婆看起来和真外婆一模一样         RealGrandMother rgm = ducks[0].get(); // BOOM! 跳出一只狼外婆,小鸭子懵圈了     }      


唯一绕过限制,创建泛型数组的方式,是先创建一个原生类型数组,然后再强制转型。

       List[] ga = (List<Integer>[])new ArrayList[10];     


------------------------以下为原答案,对数组类型的探讨------------------------

Java Language Specification明确规定:数组内的元素必须是“物化”的。

It is a compile-time error if the component type of the array being initialized is not reifiable.


对“物化”的第一条定义就是不能是泛型:

A type is reifiable if and only if one of the following holds:
  • It refers to a non-generic class or interface type declaration.
  • ... ...



因为Array的具体实现是在虚拟机层面,嵌地非常深,也查不到源码。只好用javap反编译看看具体初始化数组的字节码。我们反编译下面一段代码:初始化一个String数组和一个int数组。

       String[] s=new String[]{"hello"}; int[] i=new int[]{1,2,3};      


反编译的片段如下:

          Code:        0: iconst_1        1: anewarray     #2                  // class java/lang/String        4: dup        5: iconst_0        6: ldc           #3                  // String hello        8: aastore        9: astore_1       10: iconst_3       11: newarray       int       13: dup       14: iconst_0       15: iconst_1       ... ...     

其中:

  • "1: anewarray #2":创建String数组
  • "11: newarray int":创建int数组

anewarray和newarray都是虚拟机内部用来创建数组的命令。最多只能有2的8次方256个操作码,光创建数组就占了不止一个,可见数组的地位有多特殊。


其中newarray用atype来标记数组类型。anewarray用index来标记。从描述里可以看到,数组除了元素类型,还有一个必须确定的是长度,因为数组是一段连续内存。


查一下 Java Virtual Machine 对anewarray命令的描述,

anewarray <type>
<type> indicates what types of object references are to be stored in the array. It is either the name of a class or interface, e.g. java/lang/String, or, to create the first dimension of a multidimensional array, <type> can be an array type descriptor, e.g.[Ljava/lang/String;

比如anewarray字节码命令的格式就是anewarray后面跟一个具体的元素类型。所以不能确定<type>的确切类型,就无法创建数组。

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