设计类型安全的异构容器并实现动态类型查询

题目

设计类型安全的异构容器并实现动态类型查询

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐⭐

考点

泛型高级应用, 类型安全容器设计, 类型令牌模式, 泛型擦除补偿, 动态类型转换

快速回答

实现要点：

• 使用 Class<T> 作为类型令牌键
• 通过 Map<Class<?>, Object> 存储异构对象
• 利用泛型方法保证类型安全的存取：

  public <T> void put(Class<T> type, T instance)

• 实现动态类型查询：

  public <T> Optional<T> find(Class<T> type)

• 处理泛型擦除问题（如 List<String>.class 非法）

问题背景

Java泛型通常用于固定元素类型的容器（如List<String>）。但在某些场景下，我们需要一个能存储任意类型对象且保持类型安全的容器，例如配置中心需要存储不同类型的配置项。

核心实现

import java.util.*;

public class TypeSafeContainer {
    private final Map<Class<?>, Object> container = new HashMap<>();

    // 类型安全地存入对象
    public <T> void put(Class<T> type, T instance) {
        container.put(Objects.requireNonNull(type), type.cast(instance));
    }

    // 直接获取对象（可能抛出ClassCastException）
    public <T> T get(Class<T> type) {
        return type.cast(container.get(type));
    }

    // 安全查询：返回Optional避免NPE
    public <T> Optional<T> find(Class<T> type) {
        return Optional.ofNullable(container.get(type))
                       .map(type::cast);
    }

    // 处理泛型类型（如List<String>）
    public <T> void putGeneric(Key<T> key, T value) {
        container.put(key, value);
    }

    public <T> T getGeneric(Key<T> key) {
        return key.type.cast(container.get(key));
    }

    // 自定义键解决泛型擦除问题
    public static class Key<T> {
        private final Class<T> type;
        private final String identifier;

        public Key(Class<T> type, String identifier) {
            this.type = type;
            this.identifier = identifier;
        }

        @Override
        public boolean equals(Object o) { /* 基于type和identifier实现 */ }
        @Override
        public int hashCode() { /* 基于type和identifier实现 */ }
    }
}

关键原理

• 类型令牌（Type Token）：利用Class<T>对象同时承载类型信息和运行时访问能力
• 类型安全守卫：type.cast()在存取时进行动态类型检查
• 泛型擦除补偿：通过Key<T>封装泛型类型信息，解决List<String>.class非法的问题

使用示例

TypeSafeContainer container = new TypeSafeContainer();
container.put(String.class, "Config Value");
container.put(Integer.class, 42);

// 安全获取
String s = container.get(String.class);
Optional<Integer> opt = container.find(Integer.class);

// 处理泛型类型
Key<List<String>> key = new Key<>(List.class, "stringList");
container.putGeneric(key, Arrays.asList("a", "b"));
List<String> list = container.getGeneric(key);

最佳实践

• 优先使用find()替代get()避免异常
• 为复杂泛型类型实现自定义Key类
• 重写Key的equals/hashCode确保唯一性
• 考虑线程安全场景使用ConcurrentHashMap

常见错误

• 直接使用Object转换（失去类型安全）：

  // 错误示范！
  T value = (T) container.get(type);

• 忽略null处理导致NullPointerException
• 尝试使用List<String>.class（编译错误）

扩展知识

• Super Type Token：通过匿名类捕获泛型类型（Gson的TypeToken实现原理）
• 类型系统边界：容器无法区分List<String>和List<Integer>
• Java 14+：使用Record简化Key类的实现