1. 引言
在 Java 中，我们经常希望在支持泛型的类或方法中使用数组，但由于 Java 泛型机制的限制，这并不是一件容易的事。
在本篇文章中，我们将探讨在使用数组和泛型时的一些关键差异。接着，我们会通过一个示例来演示如何创建一个泛型数组。
最后，我们还会看看 Java 标准库是如何解决类似问题的。
2. 使用泛型数组时的注意事项
✅ 数组和泛型在类型检查机制上存在本质区别：
- 数组会在运行时保存并检查类型信息（即“具体类型”）。
- 而泛型只在编译期进行类型检查，在运行时由于类型擦除机制，泛型信息会被抹除。
Java 的语法看起来似乎支持创建泛型数组：
T[] elements = new T[size];
但实际上，这段代码会抛出编译错误。
为了理解原因，考虑如下代码：
public <T> T[] getArray(int size) {
T[] genericArray = new T[size]; // 假设这是合法的
return genericArray;
}
在运行时，未绑定的泛型类型 T 会被擦除为 Object，因此上面的方法等价于：
public Object[] getArray(int size) {
Object[] genericArray = new Object[size];
return genericArray;
}
如果我们调用该方法并将结果赋值给一个 String[]：
String[] myArray = getArray(5);
这段代码会编译通过，但在运行时会抛出 ClassCastException。这是因为我们将一个 Object[] 赋值给了 String[] 引用，而编译器无法将 Object[] 隐式转换为 String[]。
虽然不能直接初始化泛型数组，但如果调用方提供了准确的类型信息，我们仍然可以通过一些手段来实现等价操作。
3. 创建一个泛型数组
我们以一个容量固定的栈结构 MyStack 为例。由于我们希望这个栈支持任意类型，因此使用泛型数组是一个合理的实现方式。
首先，我们定义一个用于存储栈元素的字段，它是一个泛型数组：
private E[] elements;
然后添加构造函数：
public MyStack(Class<E> clazz, int capacity) {
elements = (E[]) Array.newInstance(clazz, capacity);
}
⚠️ 注意：我们使用了 java.lang.reflect.Array#newInstance 来初始化泛型数组。该方法需要两个参数：
- 第一个参数指定数组元素的类型。
- 第二个参数指定数组长度。
由于 Array.newInstance 返回的是 Object，我们需要将其强制转换为 E[] 类型。
📌 另外，注意参数命名习惯：使用 clazz 而不是 class，因为后者是 Java 关键字。
4. 使用 ArrayList 替代数组
4.1. 使用 ArrayList 简化实现
在大多数情况下，使用泛型 ArrayList 比直接使用泛型数组要简单得多。我们可以轻松地将 MyStack 改为使用 ArrayList 实现：
首先定义存储元素的字段：
private List<E> elements;
然后在构造函数中初始化：
elements = new ArrayList<>(capacity);
这种方式不需要使用反射，也不需要传递 Class 对象，代码更加简洁。
由于 ArrayList 支持设置初始容量，性能上也能达到与数组相当的效果。
✅ 因此，只有在特定场景（如与外部库交互要求使用数组）时才需要手动创建泛型数组。
4.2. ArrayList 内部实现
有趣的是，ArrayList 本身也是通过泛型数组实现的。我们来看看它的内部结构：
transient Object[] elementData;
可以看到，ArrayList 使用 Object[] 存储元素。因为泛型类型在运行时是未知的，只能使用 Object 作为所有类型的父类。
📌 几乎所有 ArrayList 的操作都可以使用这个泛型数组完成，因为它们不需要对外暴露强类型数组（除了 toArray 方法）。
5. 从集合中构建数组
5.1. LinkedList 示例
在 Java 集合框架中，我们经常需要从集合构建数组。以 LinkedList 为例：
List<String> items = new LinkedList<>();
items.add("first item");
items.add("second item");
然后构建数组：
String[] itemsAsArray = items.toArray(new String[0]);
📌 List.toArray(T[] a) 方法要求传入一个数组，用于获取类型信息，从而创建对应类型的数组。
在这个例子中，我们使用 new String[0] 作为输入，生成一个 String[] 类型的数组。
5.2. LinkedList.toArray 的实现
我们来看看 LinkedList.toArray 的源码实现：
public <T> T[] toArray(T[] a)
在需要创建新数组时，它使用反射来创建：
a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance(a.getClass().getComponentType(), size);
可以看到，这里也使用了 Array.newInstance，并通过传入的数组 a 获取组件类型（即数组元素类型），然后强制转换为 T[]。
6. 从 Stream 中创建数组
6.1. 使用 toArray 创建数组
Java 8 的 Streams API 提供了从流中创建数组的功能，但需要注意类型擦除带来的问题。
Object[] strings = Stream.of("A", "AAA", "B", "AAB", "C")
.filter(string -> string.startsWith("A"))
.toArray();
assertThat(strings).containsExactly("A", "AAA", "AAB");
⚠️ 注意：toArray() 默认返回的是 Object[]，而不是 String[]：
assertThat(strings).isNotInstanceOf(String[].class);
6.2. 使用 toArray 重载方法获取指定类型数组
为了避免类型问题，可以使用 toArray 的重载方法，传入一个生成器函数：
String[] strings = Stream.of("A", "AAA", "B", "AAB", "C")
.filter(string -> string.startsWith("A"))
.toArray(String[]::new);
assertThat(strings).containsExactly("A", "AAA", "AAB");
assertThat(strings).isInstanceOf(String[].class);
这里的 String[]::new 是一个 IntFunction，接收一个整数（数组长度），返回一个指定大小的数组。
6.3. 泛型类型参数的处理
假设我们希望将 Stream<String> 转换为 Optional<String>[]：
Stream<Optional<String>> stream = Stream.of("A", "AAA", "B", "AAB", "C")
.filter(string -> string.startsWith("A"))
.map(Optional::of);
尝试直接创建数组会失败：
// 编译错误
Optional<String>[] strings = new Optional<String>[1];
但可以通过类型转换解决：
Optional<String>[] strings = stream.toArray(Optional[]::new);
⚠️ 这会触发“未检查转换”警告，需要添加注解：
@SuppressWarnings("unchecked")
6.4. 使用辅助函数避免警告
为了减少重复的 @SuppressWarnings，可以封装一个辅助函数：
@SuppressWarnings("unchecked")
static <T, R extends T> IntFunction<R[]> genericArray(IntFunction<T[]> arrayCreator) {
return size -> (R[]) arrayCreator.apply(size);
}
使用方式如下：
Optional<String>[] strings = Stream.of("A", "AAA", "B", "AAB", "C")
.filter(string -> string.startsWith("A"))
.map(Optional::of)
.toArray(genericArray(Optional[]::new));
⚠️ 注意：此函数可能会被误用，例如：
ArrayList<String>[] lists = Stream.of(singletonList("A"))
.toArray(genericArray(List[]::new));
虽然能编译通过，但会抛出 ClassCastException，因为 ArrayList[] 不是 List[] 的子类。
7. 总结
本文讨论了数组与泛型之间的关键差异，并演示了如何在 Java 中创建泛型数组。
✅ 我们还比较了使用 ArrayList 和泛型数组的优劣，并分析了 Java 集合框架中是如何处理泛型数组的。
最后，我们介绍了如何通过 Java Streams API 创建数组，以及如何处理包含泛型类型参数的数组创建问题。
📌 要点回顾：
- ❌ 不能直接使用
new T[size]创建泛型数组 - ✅ 使用
Array.newInstance(clazz, size)+ 强制转换 - ✅
ArrayList是更常用的替代方案 - ✅
Stream.toArray()需要传入类型生成器函数 - ⚠️ 泛型数组创建涉及类型擦除和未检查转换，需谨慎处理
如需查看完整示例代码，请访问 GitHub 项目地址。