泛型在Java集合框架中的类型擦除机制是如何工作的？

Java集合框架中的泛型类型擦除（Type Erasure）是指编译器在编译阶段移除泛型类型信息，将泛型代码转换为原始类型（Raw Type）代码的过程。这一机制确保了泛型代码与Java早期版本的兼容性，同时通过编译期检查维持类型安全。以下是其具体工作方式：

1. 类型擦除的核心过程

编译时，泛型的类型参数会被替换为其边界类型（若无边界则替换为​​Object​​），所有泛型相关的类型信息（如​​List<String>​​中的​​String​​）会被擦除，仅保留原始类型（如​​List​​）。

示例1：无边界泛型的擦除

// 泛型代码
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("hello");
String str = list.get(0);

// 擦除后等价于
List list = new ArrayList();
list.add("hello");
String str = (String) list.get(0); // 编译器自动插入类型转换

示例2：有边界泛型的擦除

// 泛型代码
class NumberList<T extends Number> {
    private T value;
    public T getValue() { return value; }
}

// 擦除后等价于
class NumberList {
    private Number value; // T被替换为边界类型Number
    public Number getValue() { return value; }
}

2. 集合框架中类型擦除的具体表现

（1）集合类的擦除

所有泛型集合类（如​​ArrayList<T>​​、​​HashMap<K,V>​​）在擦除后，类型参数会被替换为​​Object​​（或边界类型）：

• ​​ArrayList<T>​​ → 擦除为 ​​ArrayList​​，内部存储的​​elementData​​数组类型为​​Object[]​​
• ​​HashMap<K,V>​​ → 擦除为 ​​HashMap​​，键值对的类型均为​​Object​​

（2）方法的擦除与桥接方法

当泛型方法被擦除后，编译器会生成桥接方法（Bridge Method）以保证多态性和类型安全。

示例：

// 泛型接口
interface Comparable<T> {
    int compareTo(T o);
}

// 实现类
class Integer implements Comparable<Integer> {
    public int compareTo(Integer o) { ... }
}

擦除后，​​Comparable<T>​​变为​​Comparable​​，​​compareTo(T)​​变为​​compareTo(Object)​​。为了保持多态，编译器会为​​Integer​​生成桥接方法：

class Integer implements Comparable {
    // 原始实现
    public int compareTo(Integer o) { ... }
    
    // 编译器生成的桥接方法
    public int compareTo(Object o) {
        return compareTo((Integer) o); // 强制转换，确保类型匹配
    }
}

桥接方法的作用是：当通过原始类型调用方法时（如​​Comparable.compareTo(Object)​​），会先进行类型转换，若类型不匹配则抛出​​ClassCastException​​。

（3）通配符的处理

泛型通配符（如​​? extends T​​、​​? super T​​）仅在编译期有效，擦除后会被替换为边界类型：

• ​​List<? extends Number>​​ → 擦除为 ​​List<Number>​​
• ​​List<? super Integer>​​ → 擦除为 ​​List<Object>​​

3. 类型擦除的限制（集合框架中的体现）

由于类型信息在运行时被擦除，导致以下限制：

1. 无法直接实例化泛型类型

T obj = new T(); // 编译错误（擦除后T变为Object，无法确定具体类型）

集合框架中创建数组时需使用​​Object​​数组，如​​ArrayList​​的​​elementData​​为​​Object[]​​。

1. 无法使用instanceof​检查泛型类型

if (list instanceof List<String>) { ... } // 编译错误

运行时​​List<String>​​和​​List<Integer>​​的类型都是​​List​​，无法区分。

1. 泛型数组创建受限

List<String>[] arr = new List<String>[10]; // 编译错误

擦除后变为​​List[]​​，可能导致类型安全问题（如存入​​List<Integer>​​）。

4. 类型擦除与类型安全的平衡

虽然类型信息在运行时被擦除，但编译器通过以下方式维持类型安全：

• 编译期检查：确保存入集合的元素类型与声明一致。
• 自动插入类型转换：从集合中取元素时，自动添加强制转换代码（如​​String str = (String) list.get(0)​​）。
• 桥接方法：在运行时对擦除后的方法调用进行类型校验。

总结

泛型类型擦除是Java为兼容旧版本而设计的折中方案，其核心是：

1. 编译期：保留泛型信息，用于类型检查和生成转换代码。
2. 运行期：擦除类型参数，替换为边界类型（或​​Object​​），通过桥接方法保证多态性。

这一机制使得Java集合框架既能享受泛型带来的类型安全和代码简洁性，又能兼容没有泛型的早期版本。理解类型擦除有助于解释泛型的各种限制（如无法实例化​​T​​、无法创建泛型数组等）。