第17章 泛型

泛型的概念

感谢原作者: VieLei ; 我的在原作者基础上完善更加容易理解的案例, 原地址再次表示感谢!
泛型在java中有很重要的地位，在面向对象编程及各种设计模式中有非常广泛的应用。什么是泛型？为什么要使用泛型？

泛型，即“参数化类型”。一提到参数，最熟悉的就是定义方法时有形参，然后调用此方法时传递实参。那么参数化类型怎么理解呢？顾名思义，就是将类型由原来的具体的类型参数化，类似于方法中的变量参数，此时类型也定义成参数形式（可以称之为类型形参），然后在使用/调用时传入具体的类型（类型实参）。

泛型的本质是为了参数化类型（在不创建新的类型的情况下，通过泛型指定的不同类型来控制形参具体限制的类型）。也就是说在泛型使用过程中，操作的数据类型被指定为一个参数，这种参数类型可以用在类、接口和方法中，分别被称为泛型类、泛型接口、泛型方法。

一个被举了无数次的例子：

List arrayList = new ArrayList();
arrayList.add("aaaa");
arrayList.add(100);

for(int i = 0; i< arrayList.size();i++){
    String item = (String)arrayList.get(i);
    Log.d("泛型测试","item = " + item);
}

毫无疑问，程序的运行结果会以崩溃结束：

java.lang.ClassCastException: java.lang.Integer cannot be cast to java.lang.String

ArrayList可以存放任意类型，例子中添加了一个String类型，添加了一个Integer类型，再使用时都以String的方式使用，因此程序崩溃了。为了解决类似这样的问题（在编译阶段就可以解决），泛型应运而生。我们将第一行声明初始化list的代码更改一下，编译器会在编译阶段就能够帮我们发现类似这样的问题。

List<String> arrayList = new ArrayList<String>();
...
//arrayList.add(100); 在编译阶段，编译器就会报错

泛型只在编译阶段有效。看下面的代码：

List<String> stringArrayList = new ArrayList<String>();
List<Integer> integerArrayList = new ArrayList<Integer>();

Class classStringArrayList = stringArrayList.getClass();
Class classIntegerArrayList = integerArrayList.getClass();

if(classStringArrayList.equals(classIntegerArrayList)){
    Log.d("泛型测试","类型相同");
}

输出结果：D/泛型测试: 类型相同。

通过上面的例子可以证明，在编译之后程序会采取去泛型化的措施。也就是说Java中的泛型，只在编译阶段有效。在编译过程中，正确检验泛型结果后，会将泛型的相关信息擦出，并且在对象进入和离开方法的边界处添加类型检查和类型转换的方法。也就是说，泛型信息不会进入到运行时阶段。
对此总结成一句话：泛型类型在逻辑上看以看成是多个不同的类型，实际上都是相同的基本类型。

泛型有三种使用方式，分别为：泛型接口、泛型类、泛型方法

定义泛型接口

泛型接口与泛型类的定义及使用基本相同。泛型接口常被用在各种类的生产器中，可以看一个例子：

//定义一个泛型接口
public interface Generator<T> {
    public T next();
}

当实现泛型接口的类，未传入泛型实参时：

/**
 * 未传入泛型实参时，与泛型类的定义相同，在声明类的时候，需将泛型的声明也一起加到类中
 * 即：class FruitGenerator<T> implements Generator<T>{
 * 如果不声明泛型，如：class FruitGenerator implements Generator<T>，编译器会报错："Unknown class"
 */
class FruitGenerator<T> implements Generator<T>{
    @Override
    public T next() {
        return null;
    }
}

当实现泛型接口的类，传入泛型实参时：

package com.hanker.generic;

import java.util.Random;

/**
 * 传入泛型实参时：
 * 定义一个生产器实现这个接口,虽然我们只创建了一个泛型接口Generator<T>
 * 但是我们可以为T传入无数个实参，形成无数种类型的Generator接口。
 * 在实现类实现泛型接口时，如已将泛型类型传入实参类型，则所有使用泛型的地方都要替换成传入的实参类型
 * 即：Generator<T>，public T next();中的的T都要替换成传入的String类型。
 */
public class FruitGenerator implements Generator<String> {

    private String[] fruits = new String[]{"Apple", "Banana", "Pear"};

    @Override
    public String next() {
        Random rand = new Random();
        return fruits[rand.nextInt(3)];
    }
}

定义泛型类

泛型类型用于类的定义中，被称为泛型类。通过泛型可以完成对一组类的操作对外开放相同的接口。最典型的就是各种容器类，如：List、Set、Map。泛型类的最基本写法（这么看可能会有点晕，会在下面的例子中详解）：

class 类名称 <泛型标识：可以随便写任意标识号，标识指定的泛型的类型>{
    private 泛型标识 /*（成员变量类型）*/ var; 
        .....
    }
}

一个最普通的泛型类：

//此处T可以随便写为任意标识，常见的如T、E、K、V等形式的参数常用于表示泛型
//在实例化泛型类时，必须指定T的具体类型
public class Generic<T>{ 
    //key这个成员变量的类型为T,T的类型由外部指定  
    private T key;

    public Generic(T key) { //泛型构造方法形参key的类型也为T，T的类型由外部指定
        this.key = key;
    }

    public T getKey(){ //泛型方法getKey的返回值类型为T，T的类型由外部指定
        return key;
    }
}

//泛型的类型参数只能是类类型（包括自定义类），不能是简单类型
//传入的实参类型需与泛型的类型参数类型相同，即为Integer.
Generic<Integer> genericInteger = new Generic<Integer>(123456);

//传入的实参类型需与泛型的类型参数类型相同，即为String.
Generic<String> genericString = new Generic<String>("key_vlaue");
Log.d("泛型测试","key is " + genericInteger.getKey());
Log.d("泛型测试","key is " + genericString.getKey());

12-27 09:20:04.432 13063-13063/? D/泛型测试: key is 123456
12-27 09:20:04.432 13063-13063/? D/泛型测试: key is key_vlaue

定义的泛型类，就一定要传入泛型类型实参么？并不是这样，在使用泛型的时候如果传入泛型实参，则会根据传入的泛型实参做相应的限制，此时泛型才会起到本应起到的限制作用。如果不传入泛型类型实参的话，在泛型类中使用泛型的方法或成员变量定义的类型可以为任何的类型。

Generic generic = new Generic("111111");
Generic generic1 = new Generic(4444);
Generic generic2 = new Generic(55.55);
Generic generic3 = new Generic(false);

Log.d("泛型测试","key is " + generic.getKey());
Log.d("泛型测试","key is " + generic1.getKey());
Log.d("泛型测试","key is " + generic2.getKey());
Log.d("泛型测试","key is " + generic3.getKey());

注意：

• 1. 泛型的类型参数只能是类类型，不能是简单类型。

• 1. 不能对确切的泛型类型使用instanceof操作。如下面的操作是非法的，编译时会出错。

     if(ex_num instanceof Generic<Number>){   
     } 
     

定义泛型方法

在java中,泛型类的定义非常简单，但是泛型方法就比较复杂了。尤其是我们见到的大多数泛型类中的成员方法也都使用了泛型，有的甚至泛型类中也包含着泛型方法，这样在初学者中非常容易将泛型方法理解错了。泛型类，是在实例化类的时候指明泛型的具体类型；泛型方法，是在调用方法的时候指明泛型的具体类型 。

/**
 * 泛型方法的基本介绍
 * @param tClass 传入的泛型实参
 * @return T 返回值为T类型
 * 说明：
 *     1）public 与 返回值中间<T>非常重要，可以理解为声明此方法为泛型方法。
 *     2）只有声明了<T>的方法才是泛型方法，泛型类中的使用了泛型的成员方法并不是泛型方法。
 *     3）<T>表明该方法将使用泛型类型T，此时才可以在方法中使用泛型类型T。
 *     4）与泛型类的定义一样，此处T可以随便写为任意标识，常见的如T、E、K、V等形式的参数常用于表示泛型。
 */
public <T> T genericMethod(Class<T> tClass)throws Exception{
	T instance = tClass.newInstance();
    return instance;
}

调用方法:

Object obj = genericMethod(Class.forName("com.test.test"));

泛型方法的基本用法

光看上面的例子有的同学可能依然会非常迷糊，我们再通过一个例子，把泛型方法再总结一下。

package com.hanker.generic;

public class GenericTest {
   //这个类是个泛型类，在上面已经介绍过
   public class Generic<T>{     
        private T key;
        public Generic(T key) {
            this.key = key;
        }
        //我想说的其实是这个，虽然在方法中使用了泛型，但是这并不是一个泛型方法。
        //这只是类中一个普通的成员方法，只不过他的返回值是在声明泛型类已经声明过的泛型。
        //所以在这个方法中才可以继续使用 T 这个泛型。
        public T getKey(){
            return key;
        }
        /**
         * 这个方法显然是有问题的，在编译器会给我们提示这样的错误信息"cannot reslove symbol E"
         * 因为在类的声明中并未声明泛型E，所以在使用E做形参和返回值类型时，编译器会无法识别。
        public E setKey(E key){
             this.key = keu
        }
        */
    }

    /** 
     * 这才是一个真正的泛型方法。
     * 首先在public与返回值之间的<T>必不可少，这表明这是一个泛型方法，并且声明了一个泛型T
     * 这个T可以出现在这个泛型方法的任意位置.
     * 泛型的数量也可以为任意多个 
     *    如：public <T,K> K showKeyName(Generic<T> container){
     *        ...
     *       }
     */
    public <T> T showKeyName(Generic<T> container){
        System.out.println("container key :" + container.getKey());
        //当然这个例子举的不太合适，只是为了说明泛型方法的特性。
        T test = container.getKey();
        return test;
    }

    //这也不是一个泛型方法，这就是一个普通的方法，只是使用了Generic<Number>这个泛型类做形参而已。
    public void showKeyValue1(Generic<Number> obj){
        System.out.println("泛型测试"+"key value is " + obj.getKey());
    }

    //这也不是一个泛型方法，这也是一个普通的方法，只不过使用了泛型通配符?
    //同时这也印证了泛型通配符章节所描述的，?是一种类型实参，可以看做为Number等所有类的父类
    public void showKeyValue2(Generic<?> obj){
    	System.out.println("泛型测试"+"key value is " + obj.getKey());
    }

     /**
     * 这个方法是有问题的，编译器会为我们提示错误信息："UnKnown class 'E' "
     * 虽然我们声明了<T>,也表明了这是一个可以处理泛型的类型的泛型方法。
     * 但是只声明了泛型类型T，并未声明泛型类型E，因此编译器并不知道该如何处理E这个类型。
    public <T> T showKeyName(Generic<E> container){
        ...
    }  
    */

    /**
     * 这个方法也是有问题的，编译器会为我们提示错误信息："UnKnown class 'T' "
     * 对于编译器来说T这个类型并未项目中声明过，因此编译也不知道该如何编译这个类。
     * 所以这也不是一个正确的泛型方法声明。
    public void showkey(T genericObj){

    }
    */
    public static void main(String[] args) {
    }
}

类中的泛型方法

当然这并不是泛型方法的全部，泛型方法可以出现杂任何地方和任何场景中使用。但是有一种情况是非常特殊的，当泛型方法出现在泛型类中时，我们再通过一个例子看一下:

package com.hanker.generic;
public class GenericFruit {
    class Fruit{
        @Override
        public String toString() {
            return "fruit";
        }
    }

    class Apple extends Fruit{
        @Override
        public String toString() {
            return "apple";
        }
    }

    class Person{
        @Override
        public String toString() {
            return "Person";
        }
    }

    class GenerateTest<T>{
        public void show_1(T t){
            System.out.println(t.toString());
        }
        //在泛型类中声明了一个泛型方法，使用泛型T，注意这个T是一种全新的类型，可以与泛型类中声明的T不是同一种类型。
        public <T> void show_2(T t){
            System.out.println(t.toString());
        }
        //在泛型类中声明了一个泛型方法，使用泛型E，这种泛型E可以为任意类型。可以类型与T相同，也可以不同。
        //由于泛型方法在声明的时候会声明泛型<E>，因此即使在泛型类中并未声明泛型，编译器也能够正确识别泛型方法中识别的泛型。
        public <E> void show_3(E t){
            System.out.println(t.toString());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
    	GenericFruit f= new GenericFruit();
        Apple apple = f.new Apple();
        Person person = f.new Person();

        GenerateTest<Fruit> generateTest = f.new GenerateTest<Fruit>();
        //apple是Fruit的子类，所以这里可以
        generateTest.show_1(apple);
        //编译器会报错，因为泛型类型实参指定的是Fruit，而传入的实参类是Person
        //generateTest.show_1(person);

        //使用这两个方法都可以成功
        generateTest.show_2(apple);
        generateTest.show_2(person);

        //使用这两个方法也都可以成功
        generateTest.show_3(apple);
        generateTest.show_3(person);
    }
}

泛型方法与可变参数

再看一个泛型方法和可变参数的例子：

public <T> void printMsg( T... args){
    for(T t : args){
        Log.d("泛型测试","t is " + t);
    }
}
//=====调用方法====
printMsg("111",222,"aaaa","2323.4",55.55);

静态方法与泛型

静态方法有一种情况需要注意一下，那就是在类中的静态方法使用泛型：静态方法无法访问类上定义的泛型；如果静态方法操作的引用数据类型不确定的时候，必须要将泛型定义在方法上。
即：如果静态方法要使用泛型的话，必须将静态方法也定义成泛型方法 。

public class StaticGenerator<T> {
    ....
    ....
    /**
     * 如果在类中定义使用泛型的静态方法，需要添加额外的泛型声明（将这个方法定义成泛型方法）
     * 即使静态方法要使用泛型类中已经声明过的泛型也不可以。
     * 如：public static void show(T t){..},此时编译器会提示错误信息：
          "StaticGenerator cannot be refrenced from static context"
     */
    public static <T> void show(T t){

    }
}

泛型方法总结

泛型方法能使方法独立于类而产生变化，以下是一个基本的指导原则：无论何时，如果你能做到，你就该尽量使用泛型方法。也就是说，如果使用泛型方法将整个类泛型化，那么就应该使用泛型方法。另外对于一个static的方法而已，无法访问泛型类型的参数。所以如果static方法要使用泛型能力，就必须使其成为泛型方法。

使用通配符

当我们使用一个泛型类时，应该为这个泛型类传入一个类型实参，如果没有传入实参，就会引起泛型警告。假设现在需要一个方法，这个方法带有集合形参，但是集合形参的类型不确定的方法，该怎么定义？考虑如下代码：

public void test(List c){
	for(int i = 0;i<c.size();i++){
		System.out.println(c.get(i));
	}
}

上面的代码在使用List接口时没有传入实际类型参数，这将引起泛型警告。为此，我们考虑为List接口传入实际的类型参数，同时List集合里的元素类型还不确定，所以我们尝试使用Object。修改代码如下：

public void test(List<Object> c){
	for(int i = 0;i<c.size();i++){
		System.out.println(c.get(i));
	}
}

这个test方法表面看起来没有问题,但是调用该方法传入实际参数时可能不如我们所期望的。如下代码调用test方法：

List<String> strList = new ArrayList<String>();
test(strList);

上面的程序出现了编译错误，这意味着：List对象不能被当做List对象使用，也就是说List类并不是List类的子类。这里要注意，如果类A是类B的子类，那么List是List的子类是不成立的！为了表示各种泛型List的父类，我们需要使用类型通配符，类型通配符是一个问号“？”，将一个问号作为类型实参传给List集合，写作：List<?>（意思是未知类型元素的List）。这个？被称为通配符，它可以匹配任何类型。要解决上面的编译错误问题，就需要使用类型通配符。我们将上面的代码改成如下形式：

public void test(List<?> c){
	for(int i = 0;i<c.size();i++){
		System.out.println(c.get(i));
	}
}

上面代码中的List<?>是任何泛型List的父类型，所以完全可以将List传递给test方法。

通配符上限

当直接使用List<?>这种形式时，即表明这个List集合可以是任何泛型List的父类。但还有一种特殊的情形，我们只想表示它是某一类泛型的父类。例如下面的代码：

package com.hanker.generic;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
class Circle extends Shape{
	public void draw() {
		System.out.println("在画布上画一个圆");
	}
}
class Rectangle extends Shape{
	public void draw() {
		System.out.println("在画布上画一个矩形");
	}
}
class Canvas{
	public void drawAll(List<Shape> shapes){
		for(Object s:shapes){
			//((Shape) s).draw(); //可以运行
			((Rectangle) s).draw();//出现异常:java.lang.ClassCastException
		}
	}
}
public abstract class Shape {
	public abstract void draw();
	public static void main(String[] args) {
		List<Circle> circleList = new ArrayList<Circle>();
        circleList.add(new Circle());
		Canvas c = new Canvas();
		c.drawAll(circleList);
	}
}

在上面的代码中，我们定义了一个类Shape以及它的两个子类型Circle、Rectangle.在定义drawAll方法时，我们希望能够传递进来一个只存储着特定形状对象（比如Circle）的集合，但是由于List 并不是List的子类，所以编译不通过。我们只能通过通配符修改代码：

class Canvas{
	public void drawAll(List<?> shapes){
		for(Object s:shapes){
			//((Shape) s).draw(); //可以运行
			((Rectangle) s).draw();//出现异常:java.lang.ClassCastException
		}
	}
}

上面的代码确实能解决刚刚编译不通过问题，但是也有了新的问题，这个时候drawAll方法能够传递进来的就不只是形状集合了，而是任意类型的List。这样就会造成类型安全问题，尽管编译器没有错误提示，编译时可能会出现ClassCastException异常。

实际上，我们需要一种泛型表示方法，它可以表示所有Shape泛型List的父类而不是所有泛型List的父类。为了满足这种需求，Java泛型提供了被限制的通配符。

语法：List<? extends 被限制的类型名称>

修改上面的Canvas类：

class Canvas{
	public void drawAll(List<? extends Shape> shapes){
		for (Shape shape : shapes) {
			shape.draw();
		}		
	}
}

上面代码中的List<? Extends Shape>表示所有Shape泛型List的父类。不仅通配符可以设定上限，设定类型形参时也可以加以限定。例如：

public class Apple<T extends Number>//传入实参只能是Number类型或它的子类型

在某些极端情况下，程序需要为形参设定多个上限（至多有一个父类上线，可以有多个接口上限）。这种情况下，类上限必须位于第一位。例如：

public class Apple<T extends Number & java.io.Serializable>

多个泛型类型上限案例:

package com.hanker.generic;

import java.io.Serializable;
//自定义类继承 Number实现Serializable, 也可以不实现接口,因为Number已经实现接口.
class MyNumber extends Number implements Serializable{

	@Override
	public int intValue() {return 0;}
	@Override
	public long longValue() {return 0;}
	@Override
	public float floatValue() {return 0;}
	@Override
	public double doubleValue() {return 0;}
}

public class Apple<T extends Number & Serializable> {

	private T price;

	public T getPrice() {
		return price;
	}

	public void setPrice(T price) {
		this.price = price;
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		//Apple的泛型类型 <= Number
		Apple<Number>  app = new Apple<>();
		Apple<MyNumber> apple = new Apple();
		//因为String不是Number的子类,只是实现了Serializable接口
		//Apple<String> app0 = new Apple<>();//编译报错
		
		
		Apple<Integer> apple1 = new Apple<>();
		apple1.setPrice(100);
		Integer price1 = apple1.getPrice();//泛型的类型
		System.out.println(price1);
		//赋值给没有泛型的引用变量,泛型的类型丢失
		Apple  app2 = apple1;
		Serializable price2 = app2.getPrice();//Number类型
	}
}

通配符下限

还是刚才的案例,改写一下:

package com.hanker.generic;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
class Circle extends Shape{
	public void draw() {
		System.out.println("在画布上画一个圆");
	}
}
class Rectangle extends Shape{
	public void draw() {
		System.out.println("在画布上画一个矩形");
	}
}
class Canvas{
    //泛型的上限
	public void drawAll(List<? extends Shape> shapes){
		for (Shape shape : shapes) {
			shape.draw();
		}		
	}
	//泛型的下限
	public void drawCircle(List<? super Circle>  circles) {
		for (Object obj : circles) {
			Shape shape = (Shape)obj;
			shape.draw();
		}
	}
}
public class Shape {
	public  void draw() {
		System.out.println("在画布上画任意形状...");
	}
	public static void main(String[] args) {
		//测试上限
		List<Circle> circleList = new ArrayList<Circle>();
        circleList.add(new Circle());
		Canvas c = new Canvas();
		c.drawAll(circleList);
		//测试下限
		List<Shape> shapeList = new ArrayList<Shape>();
		shapeList.add(new Shape());
		List<Rectangle> recList = new ArrayList<Rectangle>();
		
		c.drawCircle(circleList);
		c.drawCircle(shapeList);
		//c.drawCircle(recList);//编译报错,Rectangle不是Circle的父类
	}
}

补充案例:

package com.hanker.generic;

import java.math.BigInteger;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
class  MyBigInteger extends BigInteger{
	public MyBigInteger(int numBits, Random rnd) {
		super(numBits, rnd);
	}	
}
class Person{
	
}
class Student extends Person{
	
}
class Teacher extends Person{
	
}
public class GenericDemo {

	public static void main(String[] args) {
		List<Integer> intList = new ArrayList<>();
		intList.add(100);
		intList.add(200);
		//print(intList);
		printNumber(intList);
		
		List<Float> floatList = new ArrayList<>();
		floatList.add(3.14f);
		floatList.add(1.414f);
		printNumber(floatList);
		
		//孙子类级别也可以接收
		List<MyBigInteger> bigList = new ArrayList<>();
		bigList.add(new MyBigInteger(2, new Random()));
		bigList.add(new MyBigInteger(4, new Random()));
		printNumber(bigList);
		
		List<String> strList = new ArrayList<>();
		strList.add("admin");
		strList.add("manager");
		//print(strList);
		//printNumber(strList); //编译保存String不是Number的子类
		
		//测试泛型的下限
		List<Student> stuList = new ArrayList<>();
		stuList.add(new Student());
		printStudent(stuList);
		
		List<Teacher> teaList = new ArrayList<>();
		teaList.add(new Teacher());
		//printStudent(teaList);//不是Student的父类编译报错
		
		List<Person> perList = new ArrayList<>();
		perList.add(new Person());
		printStudent(perList);
		//爷爷级类
		List<Object> objList = new ArrayList<>();
		objList.add(new Object());
		printStudent(objList);
	}
	
	
	//泛型的下限 ? super 代表Student的父类    提供的类型 >=Student
	public static void printStudent(List<? super Student> list) {
		for (Object object : list) {
			System.out.println(object);
		}
	}
	
	
	
	//泛型的上限 可以打印任何的数字类型, 类型必须是nubmer的子类
	public static void printNumber(List<? extends Number> list) {
		for (Number number : list) {
			System.out.println(number);
		}
	}

	//String 是Object的子类,Integer也是Object的子类
	//List<String> 是List<Object>子类  
	//? 通配符可以接收任何类型,没有限制
	public static void print(List<?>  list) {
		for (Object object : list) {
			System.out.println(object);
		}
	}

}

泛型擦除

当把一个具有泛型信息的对象赋值给另一个没有泛型信息的变量时，这个泛型信息会被丢掉。比如说一个List类型被转换为List，则该List中的元素类型变成了Object，这种现象就是擦除。

public class Apple<T extends Number> {
	T size;
	public Apple() {  }
	public Apple(T size) {
		this.size = size;
	}
	public void setA(T size){
		this.size = size;
	}
	public T getSize(){
		return this.size;
	}
	public static void main(String[] args) {
		Apple<Integer> a = new Apple<Integer>(6);
		Integer size1 = a.getSize();
		Apple b = a;
		//下面代码将引发编译错误，b只知道size的类型是Number
		Integer size2 = b.getSize();
        //赋值给没有泛型的引用变量,泛型的类型丢失
		Apple  app2 = a;
		Number price2 = app2.getPrice();
	}
}

上面程序中声明了一个带泛型的Apple类，其类型参数的上限是Number。当把带泛型信息的对象a赋值给不带泛型信息的对象b时，编译器就会丢失a对象的泛型信息。因为Apple类型形参的上限是Number，所以编译器只知道getSize方法返回Number类型。