這一系列主要討論在 Java 編程中添加泛型類型，本文是其中的一篇，將研究還未討論過的有關(guān)使用泛型的兩個限制之一，即添加對裸類型參數(shù)的 new 操作的支持（如類 C<T> 中的 new T()）。

正如我上個月所提到的那樣，Tiger 和 JSR-14 通過使用“類型消除（type erasure）”對 Java 語言實(shí)現(xiàn)泛型類型。使用類型消除（type erasure），泛型類型僅用于類型檢查；然后，用它們的上界替換它們。由此定義可知：消除將與如 new T() 之類的表達(dá)式?jīng)_突。

如果假定 T 的界限是 Object，那么這一表達(dá)式將被消除為 new Object()，并且不管對 T 如何實(shí)例化（String、List、URLClassLoader 等等），new 操作將產(chǎn)生一個新的 Object 實(shí)例。顯然，這不是我們想要的。

要添加對表達(dá)式（如 new T()）的支持，以及添加對我們上次討論過的其它與類型相關(guān)的操作（如數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換和 instanceof 表達(dá)式）的支持，我們必須采用某種實(shí)現(xiàn)策略而不是類型消除（如對于每個泛型實(shí)例化，使用獨(dú)立的類）。但對于 new 操作，需要處理其它問題。

尤其是，為了實(shí)現(xiàn)對 Java 語言添加這種支持，必須對許多基本的語言設(shè)計(jì)問題作出決定。

有效的構(gòu)造函數(shù)調(diào)用

首先，為了對類型參數(shù)構(gòu)造合法的 new 表達(dá)式（如 new T()），必須確保我們調(diào)用的構(gòu)造函數(shù)對于 T 的每個實(shí)例化都有效。但由于我們只知道 T 是其已聲明界限的子類型，所以我們不知道 T 的某一實(shí)例化將有什么構(gòu)造函數(shù)。要解決這一問題，可以用下述三種方法之一：

1. 要求類型參數(shù)的所有實(shí)例化都包括不帶參數(shù)的（zeroary）構(gòu)造函數(shù)。
2. 只要泛型類的運(yùn)行時(shí)實(shí)例化沒有包括所需的構(gòu)造函數(shù)，就拋出異常。
3. 修改語言的語法以包括更詳盡的類型參數(shù)界限。

第 1 種方法：需要不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)
只要求類型參數(shù)的所有實(shí)例化都包括不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)。該解決方案的優(yōu)點(diǎn)是非常簡單。使用這種方法也有先例。

處理類似問題的現(xiàn)有 Java 技術(shù)（象 JavaBean 技術(shù)）就是通過要求一個不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)來解決問題的。然而，該方法的一個主要缺點(diǎn)是：對于許多類，沒有合理的不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)。

例如，表示非空容器的任何類在構(gòu)造函數(shù)中必然使用表示其元素的參數(shù)。包括不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)將迫使我們先創(chuàng)建實(shí)例，然后再進(jìn)行本來可以在構(gòu)造函數(shù)調(diào)用中完成的初始化。但該實(shí)踐會導(dǎo)致問題的產(chǎn)生（您可能想要閱讀 2002 年 4 月發(fā)表的本專欄文章“The Run-on Initializer bug pattern”，以獲取詳細(xì)信息；請參閱參考資料。）

第 2 種方法：當(dāng)缺少所需構(gòu)造函數(shù)時(shí)，拋出異常
處理該問題的另一種方法是：只要泛型類的運(yùn)行時(shí)實(shí)例化沒有包括所需構(gòu)造函數(shù)，就拋出異常。請注意：必須在運(yùn)行時(shí)拋出異常。因?yàn)?Java 語言的遞增式編譯模型，所以我們無法靜態(tài)地確定所有將在運(yùn)行時(shí)發(fā)生的泛型類的實(shí)例化。例如，假設(shè)我們有如下一組泛型類：

class C<T> {  T makeT() {    return new T();  }}class D<S> {  C<S> makeC() {    return new C<S>();  }}

現(xiàn)在，在類 D<S> 中，構(gòu)造了類 C<S> 的實(shí)例。然后，在類 C 的主體中，將調(diào)用 S 的不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)。這種不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)存在嗎？答案當(dāng)然取決于 S 的實(shí)例化！

比方說，如果 S 被實(shí)例化為 String，那么答案是“存在”。如果它被實(shí)例化為 Integer，那么答案是“不存在”。但是，當(dāng)編譯類 D 和 C 時(shí)，我們不知道其它類會構(gòu)造什么樣的 D<S> 實(shí)例化。即使我們有可用于分析的整個程序（我們幾乎從來沒有這樣的 Java 程序），我們還是必須進(jìn)行代價(jià)相當(dāng)高的流分析來確定潛在的構(gòu)造函數(shù)問題可能會出現(xiàn)在哪里。

此外，這一技術(shù)所產(chǎn)生的錯誤種類對于程序員來說很難診斷和修復(fù)。例如，假設(shè)程序員只熟悉類 D 的頭。他知道 D 的類型參數(shù)的界限是缺省界限（Object）。如果得到那樣的信息，他沒有理由相信滿足聲明類型界限（如 D<Integer>）的 D 的實(shí)例化將會導(dǎo)致錯誤。事實(shí)上，它在相當(dāng)長的時(shí)間里都不會引起錯誤，直到最后有人調(diào)用方法 makeC 以及（最終）對 C 的實(shí)例化調(diào)用方法 makeT。然后，我們將得到一個報(bào)告的錯誤，但這將在實(shí)際問題發(fā)生很久以后 — 類 D 的糟糕實(shí)例化。

還有，對所報(bào)告錯誤的堆棧跟蹤甚至可能不包括任何對這個糟糕的 D 實(shí)例的方法調(diào)用！現(xiàn)在，讓我們假設(shè)程序員無權(quán)訪問類 C 的源代碼。他對問題是什么或如何修正代碼將毫無頭緒，除非他設(shè)法聯(lián)系類 C 的維護(hù)者并獲得線索。

第 3 種方法：修改語法以獲得更詳盡的界限
另一種可能性是修改語言語法以包括更詳盡的類型參數(shù)界限。這些界限可以指定一組可用的構(gòu)造函數(shù)，它們必須出現(xiàn)在參數(shù)的每一個實(shí)例化中。因而，在泛型類定義內(nèi)部，唯一可調(diào)用的構(gòu)造函數(shù)是那些在界限中聲明的構(gòu)造函數(shù)。

同樣，實(shí)例化泛型類的客戶機(jī)類必須使用滿足對構(gòu)造函數(shù)存在所聲明的約束的類來這樣做。參數(shù)聲明將充當(dāng)類與其客戶機(jī)之間的契約，這樣我們可以靜態(tài)地檢查這兩者是否遵守契約。

與另外兩種方法相比，該方法有許多優(yōu)點(diǎn)，它允許我們保持第二種方法的可表達(dá)性以及與第一種方法中相同的靜態(tài)檢查程度。但它也有需要克服的問題。

首先，類型參數(shù)聲明很容易變得冗長。我們或許需要某種形式的語法上的甜頭，使這些擴(kuò)充的參數(shù)聲明還過得去。另外，如果在 Tiger 以后的版本中添加擴(kuò)充的參數(shù)聲明，那么我們必須確保這些擴(kuò)充的聲明將與現(xiàn)有的已編譯泛型類兼容。

如果將對泛型類型的與類型相關(guān)的操作的支持添加到 Java 編程中，那么它采用何種形式還不清楚。但是，從哪種方法將使 Java 代碼盡可能地保持健壯（以及使在它遭到破壞時(shí)盡可能容易地修正）的觀點(diǎn)看，第三個選項(xiàng)無疑是最適合的。

然而，new 表達(dá)式有另一個更嚴(yán)重的問題。

多態(tài)遞歸

更嚴(yán)重的問題是類定義中可能存在多態(tài)遞歸。當(dāng)泛型類在其自己的主體中實(shí)例化其本身時(shí)，發(fā)生多態(tài)遞歸。例如，考慮下面的錯誤示例：

class C<T> {  public Object nest(int n) {    if (n == 0) return this;    else return new C<C<T>>().nest(n - 1);  }}

假設(shè)客戶機(jī)類創(chuàng)建新的 C<Object> 實(shí)例，并調(diào)用（比方說）nest(1000)。然后，在執(zhí)行方法 nest() 的過程中，將構(gòu)造新的實(shí)例化 C<C<Object>>，并且對它調(diào)用 nest(999)。然后，將構(gòu)造實(shí)例化 C<C<C<Object>>>，以此類推，直到構(gòu)造 1000 個獨(dú)立的類 C 的實(shí)例化。當(dāng)然，我隨便選擇數(shù)字 1000；通常，我們無法知道在運(yùn)行時(shí)哪些整數(shù)將被傳遞到方法 nest。事實(shí)上，可以將它們作為用戶輸入傳入。

為什么這成為問題呢？因?yàn)槿绻覀兺ㄟ^為每個實(shí)例化構(gòu)造獨(dú)立類來支持泛型類型的與類型相關(guān)的操作，那么，在程序運(yùn)行以前，我們無法知道我們需要構(gòu)造哪些類。但是，如果類裝入器為它所裝入的每個類查找現(xiàn)有類文件，那么它會如何工作呢？

同樣，這里有幾種可能的解決辦法：

1. 對程序可以產(chǎn)生的泛型類的實(shí)例化數(shù)目設(shè)置上限。
2. 靜態(tài)禁止多態(tài)遞歸。
3. 在程序運(yùn)行時(shí)隨需構(gòu)造新的實(shí)例化類。

第 1 種：對實(shí)例化數(shù)設(shè)置上限
我們對程序可以產(chǎn)生的泛型類的實(shí)例化數(shù)目設(shè)置上限。然后，在編譯期間，我們可以對一組合法的實(shí)例化確定有限界限，并且僅為該界限中的所有實(shí)例化生成類文件。

該方法類似于在 C++ 標(biāo)準(zhǔn)模板庫中完成的事情（這使我們有理由擔(dān)心它不是一個好方法）。該方法的問題是，和為錯誤的構(gòu)造函數(shù)調(diào)用報(bào)告錯誤一樣，程序員將無法預(yù)知其程序的某一次運(yùn)行將崩潰。例如，假設(shè)實(shí)例化數(shù)的界限為 42，并且使用用戶提供的參數(shù)調(diào)用先前提到的 nest() 方法。那么，只要用戶輸入小于 42 的數(shù)，一切都正常。當(dāng)用戶輸入 43 時(shí)，這一計(jì)劃不周的設(shè)計(jì)就會失敗。現(xiàn)在，設(shè)想一下可憐的代碼維護(hù)者，他所面對的任務(wù)是重新組合代碼并試圖弄清楚幻數(shù) 42 有什么特殊之處。

第 2 種：靜態(tài)禁止多態(tài)遞歸
為什么我們不向編譯器發(fā)出類似“靜態(tài)禁止多態(tài)遞歸”這樣的命令呢？（唉！要是那么簡單就好了。）當(dāng)然，包括我在內(nèi)的許多程序員都會反對這種策略，它抑制了許多重要設(shè)計(jì)模式的使用。

例如，在泛型類 List<T> 中，您真的想要防止 List<List<T>> 的構(gòu)造嗎？從方法返回這種列表對于構(gòu)建許多很常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很有用。事實(shí)證明我們無法防止多態(tài)遞歸，即使我們想要那樣，也是如此。就象靜態(tài)檢測糟糕的泛型構(gòu)造函數(shù)調(diào)用一樣，禁止多態(tài)遞歸會與遞增式類編譯發(fā)生沖突。我們先前的簡單示例（其中，多態(tài)遞歸作為一個簡單直接的自引用發(fā)生）會使這一事實(shí)變得模糊。但是，自引用對于在不同時(shí)間編譯的大多數(shù)類常常采用任意的間接級別。再提一次，那是因?yàn)橐粋€泛型類可以用其自己的類型參數(shù)來實(shí)例化另一個泛型類。

下面的示例涉及兩個類之間的多態(tài)遞歸：

class C<T> {  public Object potentialNest(int n) {    if (n == 0) return this;    else return new D<T>().nest(n - 1);  }}class D<S> {  public Object nest(int n) {    return new C<C<S>>().nest(n);  }}

在類 C 或 D 中顯然沒有多態(tài)遞歸，但象 new D<C<Object>>().nest(1000) 之類的表達(dá)式將引起類 C 的 1000 次實(shí)例化。

或許，我們可以將新屬性添加到類文件中，以表明類中所有不同泛型類型實(shí)例化，然后在編譯其它類時(shí)分析這些實(shí)例化，以進(jìn)行遞歸。但是，我們還是必須向程序員提供奇怪的和不直觀的錯誤消息。

在上面的代碼中，我們在哪里報(bào)告錯誤呢？在類 D 的編譯過程中還是在包含不相干表達(dá)式 new D<C<Object>>().nest(1000) 的客戶機(jī)類的編譯過程中呢？無論是哪一種，除非程序員有權(quán)訪問類 C 的源代碼，否則他無法預(yù)知何時(shí)會發(fā)生編譯錯誤。

第 3 種：實(shí)時(shí)構(gòu)造新的實(shí)例化類
另一種方法是在程序運(yùn)行時(shí)按需構(gòu)造新的實(shí)例化類。起先，這種方法似乎與 Java 運(yùn)行時(shí)完全不兼容。但實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)該策略所需的全部就是使用一個修改的類裝入器，它根據(jù)“模板（template）”類文件構(gòu)造新的實(shí)例化類。

JVM 規(guī)范已經(jīng)允許程序員使用修改的類裝入器；事實(shí)上，許多流行的 Java 應(yīng)用程序（如 Ant、JUnit 和 DrJava）都使用它們。該方法的缺點(diǎn)是：修改的類裝入器必須與其應(yīng)用程序一起分布，以在較舊的 JVM 上運(yùn)行。因?yàn)轭愌b入器往往比較小，所以這個開銷不會大。

讓我們研究一下該方法的工作示例。

NextGen 示例：修改的類裝入器
前一種方法 — 用按需構(gòu)造泛型類型實(shí)例化的修改的類裝入器解決多態(tài)遞歸問題 — 被 Java 語言的 NextGen 擴(kuò)展所采用。修改的類裝入器使用看上去幾乎與普通類文件完全一樣的模板文件，不同的是這個模板文件在常量池中有一些“洞”，在裝入時(shí)為每個實(shí)例化類填充這些“洞”。非泛型類不受影響。

在 Rice 大學(xué) JavaPLT 編程語言實(shí)驗(yàn)室，我們最近發(fā)布了 NextGen 編譯器的原型，它是 GJ 泛型 Java 編譯器的一種擴(kuò)展，這種擴(kuò)展支持類型參數(shù)的與類型相關(guān)的操作（數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、instanceof 測試和 new 表達(dá)式）。在該原型實(shí)現(xiàn)中，我們使用了一個修改的類裝入器來支持多態(tài)遞歸。可以免費(fèi)下載該原型（請參閱參考資料）。

結(jié)束語

正如上述考慮事項(xiàng)所演示的那樣，將成熟的運(yùn)行時(shí)支持添加到泛型 Java 要解決許多微妙的設(shè)計(jì)問題。如果這些問題處理得不當(dāng)，那么可表達(dá)性和健壯性的降低會輕易地抵消泛型類型的好處。但愿 Java 編程會繼續(xù)朝著維持這些屬性的高度表達(dá)性和健壯性的方向發(fā)展。

下一次，我們將通過討論或許是功能最強(qiáng)大的應(yīng)用泛型類型的方法 — 將 mixin（具有參數(shù)父類型的類）添加到語言中 — 來結(jié)束對泛型類型的討論。我們會將這種 mixin 的表現(xiàn)方式與先前討論的這種功能強(qiáng)大的語言特性相關(guān)聯(lián)，討論通過泛型類型添加 mixin 的優(yōu)缺點(diǎn)。