深入理解 Java 泛型
1. 为什么需要泛型
JDK5 引入了泛型机制。
为什么需要泛型呢？回答这个问题前，先让我们来看一个示例。
public class NoGenericsDemo {
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList<>();
list.add("abc");
list.add(18);
list.add(new double[] {1.0, 2.0});
Object obj1 = list.get(0);
Object obj2 = list.get(1);
Object obj3 = list.get(2);
System.out.println("obj1 = [" + obj1 + "]");
System.out.println("obj2 = [" + obj2 + "]");
System.out.println("obj3 = [" + obj3 + "]");
int num1 = (int)list.get(0);
int num2 = (int)list.get(1);
int num3 = (int)list.get(2);
System.out.println("num1 = [" + num1 + "]");
System.out.println("num2 = [" + num2 + "]");
System.out.println("num3 = [" + num3 + "]");
}
}
// Output:
// obj1 = [abc]
// obj2 = [18]
// obj3 = [[D@47089e5f]
// Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: java.lang.String cannot be cast to java.lang.Integer
// at io.github.dunwu.javacore.generics.NoGenericsDemo.main(NoGenericsDemo.java:23)示例说明： 在上面的示例中，
List容器没有指定存储数据类型，这种情况下，可以向List添加任意类型数据，编译器不会做类型检查，而是默默的将所有数据都转为Object。 假设，最初我们希望向List存储的是整形数据，假设，某个家伙不小心存入了其他数据类型。当你试图从容器中取整形数据时，由于List当成Object类型来存储，你不得不使用类型强制转换。在运行时，才会发现List中数据不存储一致的问题，这就为程序运行带来了很大的风险（无形伤害最为致命）。
而泛型的出现，解决了类型安全问题。
泛型具有以下优点：
- 编译时的强类型检查
泛型要求在声明时指定实际数据类型，Java 编译器在编译时会对泛型代码做强类型检查，并在代码违反类型安全时发出告警。早发现，早治理，把隐患扼杀于摇篮，在编译时发现并修复错误所付出的代价远比在运行时小。
- 避免了类型转换
未使用泛型：
List list = new ArrayList();
list.add("hello");
String s = (String) list.get(0);使用泛型：
List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("hello");
String s = list.get(0); // no cast- 泛型编程可以实现通用算法
通过使用泛型，程序员可以实现通用算法，这些算法可以处理不同类型的集合，可以自定义，并且类型安全且易于阅读。
2. 泛型类型
泛型类型是被参数化的类或接口。
2.1. 泛型类
泛型类的语法形式：
class name<T1, T2, ..., Tn> { /* ... */ }泛型类的声明和非泛型类的声明类似，除了在类名后面添加了类型参数声明部分。由尖括号（<>）分隔的类型参数部分跟在类名后面。它指定类型参数（也称为类型变量）T1，T2，...和 Tn。
一般将泛型中的类名称为原型，而将 <> 指定的参数称为类型参数。
- 未应用泛型的类
在泛型出现之前，如果一个类想持有一个可以为任意类型的数据，只能使用 Object 做类型转换。示例如下：
public class Info {
private Object value;
public Object getValue() {
return value;
}
public void setValue(Object value) {
this.value = value;
}
}- 单类型参数的泛型类
public class Info<T> {
private T value;
public Info() { }
public Info(T value) {
this.value = value;
}
public T getValue() {
return value;
}
public void setValue(T value) {
this.value = value;
}
@Override
public String toString() {
return "Info{" + "value=" + value + '}';
}
}
public class GenericsClassDemo01 {
public static void main(String[] args) {
Info<Integer> info = new Info<>();
info.setValue(10);
System.out.println(info.getValue());
Info<String> info2 = new Info<>();
info2.setValue("xyz");
System.out.println(info2.getValue());
}
}
// Output:
// 10
// xyz在上面的例子中，在初始化一个泛型类时，使用 <> 指定了内部具体类型，在编译时就会根据这个类型做强类型检查。
实际上，不使用 <> 指定内部具体类型，语法上也是支持的（不推荐这么做），如下所示：
public static void main(String[] args) {
Info info = new Info();
info.setValue(10);
System.out.println(info.getValue());
info.setValue("abc");
System.out.println(info.getValue());
}示例说明： 上面的例子，不会产生编译错误，也能正常运行。但这样的调用就失去泛型类型的优势。
- 多个类型参数的泛型类
public class MyMap<K,V> {
private K key;
private V value;
public MyMap(K key, V value) {
this.key = key;
this.value = value;
}
@Override
public String toString() {
return "MyMap{" + "key=" + key + ", value=" + value + '}';
}
}
public class GenericsClassDemo02 {
public static void main(String[] args) {
MyMap<Integer, String> map = new MyMap<>(1, "one");
System.out.println(map);
}
}
// Output:
// MyMap{key=1, value=one}- 泛型类的类型嵌套
public class GenericsClassDemo03 {
public static void main(String[] args) {
Info<String> info = new Info("Hello");
MyMap<Integer, Info<String>> map = new MyMap<>(1, info);
System.out.println(map);
}
}
// Output:
// MyMap{key=1, value=Info{value=Hello}}2.2. 泛型接口
接口也可以声明泛型。
泛型接口语法形式：
public interface Content<T> {
T text();
}泛型接口有两种实现方式：
- 实现接口的子类明确声明泛型类型
public class GenericsInterfaceDemo01 implements Content<Integer> {
private int text;
public GenericsInterfaceDemo01(int text) {
this.text = text;
}
@Override
public Integer text() { return text; }
public static void main(String[] args) {
GenericsInterfaceDemo01 demo = new GenericsInterfaceDemo01(10);
System.out.print(demo.text());
}
}
// Output:
// 10- 实现接口的子类不明确声明泛型类型
public class GenericsInterfaceDemo02<T> implements Content<T> {
private T text;
public GenericsInterfaceDemo02(T text) {
this.text = text;
}
@Override
public T text() { return text; }
public static void main(String[] args) {
GenericsInterfaceDemo02<String> gen = new GenericsInterfaceDemo02<>("ABC");
System.out.print(gen.text());
}
}
// Output:
// ABC3. 泛型方法
泛型方法是引入其自己的类型参数的方法。泛型方法可以是普通方法、静态方法以及构造方法。
泛型方法语法形式如下：
public <T> T func(T obj) {}是否拥有泛型方法，与其所在的类是否是泛型没有关系。
泛型方法的语法包括一个类型参数列表，在尖括号内，它出现在方法的返回类型之前。对于静态泛型方法，类型参数部分必须出现在方法的返回类型之前。类型参数能被用来声明返回值类型，并且能作为泛型方法得到的实际类型参数的占位符。
使用泛型方法的时候，通常不必指明类型参数，因为编译器会为我们找出具体的类型。这称为类型参数推断（type argument inference）。类型推断只对赋值操作有效，其他时候并不起作用。如果将一个泛型方法调用的结果作为参数，传递给另一个方法，这时编译器并不会执行推断。编译器会认为：调用泛型方法后，其返回值被赋给一个 Object 类型的变量。
public class GenericsMethodDemo01 {
public static <T> void printClass(T obj) {
System.out.println(obj.getClass().toString());
}
public static void main(String[] args) {
printClass("abc");
printClass(10);
}
}
// Output:
// class java.lang.String
// class java.lang.Integer泛型方法中也可以使用可变参数列表
public class GenericVarargsMethodDemo {
public static <T> List<T> makeList(T... args) {
List<T> result = new ArrayList<T>();
Collections.addAll(result, args);
return result;
}
public static void main(String[] args) {
List<String> ls = makeList("A");
System.out.println(ls);
ls = makeList("A", "B", "C");
System.out.println(ls);
}
}
// Output:
// [A]
// [A, B, C]4. 类型擦除
Java 语言引入泛型是为了在编译时提供更严格的类型检查，并支持泛型编程。不同于 C++ 的模板机制，Java 泛型是使用类型擦除来实现的，使用泛型时，任何具体的类型信息都被擦除了。
那么，类型擦除做了什么呢？它做了以下工作：
- 把泛型中的所有类型参数替换为 Object，如果指定类型边界，则使用类型边界来替换。因此，生成的字节码仅包含普通的类，接口和方法。
- 擦除出现的类型声明，即去掉
<>的内容。比如T get()方法声明就变成了Object get()；List<String>就变成了List。如有必要，插入类型转换以保持类型安全。 - 生成桥接方法以保留扩展泛型类型中的多态性。类型擦除确保不为参数化类型创建新类；因此，泛型不会产生运行时开销。
让我们来看一个示例：
public class GenericsErasureTypeDemo {
public static void main(String[] args) {
List<Object> list1 = new ArrayList<Object>();
List<String> list2 = new ArrayList<String>();
System.out.println(list1.getClass());
System.out.println(list2.getClass());
}
}
// Output:
// class java.util.ArrayList
// class java.util.ArrayList示例说明： 上面的例子中，虽然指定了不同的类型参数，但是 list1 和 list2 的类信息却是一样的。 这是因为：使用泛型时，任何具体的类型信息都被擦除了。这意味着：
ArrayList<Object>和ArrayList<String>在运行时，JVM 将它们视为同一类型。
Java 泛型的实现方式不太优雅，但这是因为泛型是在 JDK5 时引入的，为了兼容老代码，必须在设计上做一定的折中。
5. 泛型和继承
泛型不能用于显式地引用运行时类型的操作之中，例如：转型、instanceof 操作和 new 表达式。因为所有关于参数的类型信息都丢失了。当你在编写泛型代码时，必须时刻提醒自己，你只是看起来好像拥有有关参数的类型信息而已。
正是由于泛型时基于类型擦除实现的，所以，泛型类型无法向上转型。
向上转型是指用子类实例去初始化父类，这是面向对象中多态的重要表现。
Integer 继承了 Object；ArrayList 继承了 List；但是 List<Interger> 却并非继承了 List<Object>。
这是因为，泛型类并没有自己独有的 Class 类对象。比如：并不存在 List<Object>.class 或是 List<Interger>.class，Java 编译器会将二者都视为 List.class。
List<Integer> list = new ArrayList<>();
List<Object> list2 = list; // Erorr6. 类型边界
有时您可能希望限制可在参数化类型中用作类型参数的类型。类型边界可以对泛型的类型参数设置限制条件。例如，对数字进行操作的方法可能只想接受 Number 或其子类的实例。
要声明有界类型参数，请列出类型参数的名称，然后是 extends 关键字，后跟其限制类或接口。
类型边界的语法形式如下：
<T extends XXX>示例：
public class GenericsExtendsDemo01 {
static <T extends Comparable<T>> T max(T x, T y, T z) {
T max = x; // 假设x是初始最大值
if (y.compareTo(max) > 0) {
max = y; //y 更大
}
if (z.compareTo(max) > 0) {
max = z; // 现在 z 更大
}
return max; // 返回最大对象
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(max(3, 4, 5));
System.out.println(max(6.6, 8.8, 7.7));
System.out.println(max("pear", "apple", "orange"));
}
}
// Output:
// 5
// 8.8
// pear示例说明： 上面的示例声明了一个泛型方法，类型参数
T extends Comparable<T>表明传入方法中的类型必须实现了 Comparable 接口。
类型边界可以设置多个，语法形式如下：
<T extends B1 & B2 & B3>🔔 注意：extends 关键字后面的第一个类型参数可以是类或接口，其他类型参数只能是接口。
示例：
public class GenericsExtendsDemo02 {
static class A { /* ... */ }
interface B { /* ... */ }
interface C { /* ... */ }
static class D1 <T extends A & B & C> { /* ... */ }
static class D2 <T extends B & A & C> { /* ... */ } // 编译报错
static class E extends A implements B, C { /* ... */ }
public static void main(String[] args) {
D1<E> demo1 = new D1<>();
System.out.println(demo1.getClass().toString());
D1<String> demo2 = new D1<>(); // 编译报错
}
}7. 类型通配符
类型通配符一般是使用 ? 代替具体的类型参数。例如 List<?> 在逻辑上是 List<String> ，List<Integer> 等所有 List<具体类型实参> 的父类。
7.1. 上界通配符
可以使用上界通配符来缩小类型参数的类型范围。
它的语法形式为：<? extends Number>
public class GenericsUpperBoundedWildcardDemo {
public static double sumOfList(List<? extends Number> list) {
double s = 0.0;
for (Number n : list) {
s += n.doubleValue();
}
return s;
}
public static void main(String[] args) {
List<Integer> li = Arrays.asList(1, 2, 3);
System.out.println("sum = " + sumOfList(li));
}
}
// Output:
// sum = 6.07.2. 下界通配符
下界通配符将未知类型限制为该类型的特定类型或超类类型。
🔔 注意：上界通配符和下界通配符不能同时使用。
它的语法形式为：<? super Number>
public class GenericsLowerBoundedWildcardDemo {
public static void addNumbers(List<? super Integer> list) {
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
list.add(i);
}
}
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = new ArrayList<>();
addNumbers(list);
System.out.println(Arrays.deepToString(list.toArray()));
}
}
// Output:
// [1, 2, 3, 4, 5]7.3. 无界通配符
无界通配符有两种应用场景：
- 可以使用 Object 类中提供的功能来实现的方法。
- 使用不依赖于类型参数的泛型类中的方法。
语法形式：<?>
public class GenericsUnboundedWildcardDemo {
public static void printList(List<?> list) {
for (Object elem : list) {
System.out.print(elem + " ");
}
System.out.println();
}
public static void main(String[] args) {
List<Integer> li = Arrays.asList(1, 2, 3);
List<String> ls = Arrays.asList("one", "two", "three");
printList(li);
printList(ls);
}
}
// Output:
// 1 2 3
// one two three7.4. 通配符和向上转型
前面，我们提到：泛型不能向上转型。但是，我们可以通过使用通配符来向上转型。
public class GenericsWildcardDemo {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> intList = new ArrayList<>();
List<Number> numList = intList; // Error
List<? extends Integer> intList2 = new ArrayList<>();
List<? extends Number> numList2 = intList2; // OK
}
}扩展阅读：Oracle 泛型文档
8. 泛型的约束
Pair<int, char> p = new Pair<>(8, 'a'); // 编译错误public static <E> void append(List<E> list) {
E elem = new E(); // 编译错误
list.add(elem);
}public class MobileDevice<T> {
private static T os; // error
// ...
}public static <E> void rtti(List<E> list) {
if (list instanceof ArrayList<Integer>) { // 编译错误
// ...
}
}List<Integer> li = new ArrayList<>();
List<Number> ln = (List<Number>) li; // 编译错误List<Integer>[] arrayOfLists = new List<Integer>[2]; // 编译错误// Extends Throwable indirectly
class MathException<T> extends Exception { /* ... */ } // 编译错误
// Extends Throwable directly
class QueueFullException<T> extends Throwable { /* ... */ // 编译错误public static <T extends Exception, J> void execute(List<J> jobs) {
try {
for (J job : jobs)
// ...
} catch (T e) { // compile-time error
// ...
}
}public class Example {
public void print(Set<String> strSet) { }
public void print(Set<Integer> intSet) { } // 编译错误
}9. 泛型最佳实践
9.1. 泛型命名
泛型一些约定俗成的命名：
- E - Element
- K - Key
- N - Number
- T - Type
- V - Value
- S,U,V etc. - 2nd, 3rd, 4th types
9.2. 使用泛型的建议
- 消除类型检查告警
- List 优先于数组
- 优先考虑使用泛型来提高代码通用性
- 优先考虑泛型方法来限定泛型的范围
- 利用有限制通配符来提升 API 的灵活性
- 优先考虑类型安全的异构容器
10. 小结
