Java基础11———深入理解Java泛型

Java泛型

why need 泛型？

首先，我们看下下面这段简短的代码:

public class GenericTest {

    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        list.add("孟木子");
        list.add("heheda");
        list.add(100);

        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            String name = (String) list.get(i); 
            // Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException:java.lang.Integer cannot be cast to java.lang.Stringat Test.main(Test.java:13)
            System.out.println("name:" + name);
        }
    }
}

  定义了一个List类型的集合，先向其中加入了两个字符串类型的值，随后加入一个Integer类型的值。这是完全允许的，因为此时list默认的类型为Object类型。在之后的循环中，由于忘记了之前在list中也加入了Integer类型的值或其他编码原因，很容易出现类似于//1中的错误。因为编译阶段正常，而运行时会出现“java.lang.ClassCastException”异常。因此，导致此类错误编码过程中不易发现。
   那么有没有什么办法可以使集合能够记住集合内元素各类型，且能够达到只要编译时不出现问题，运行时就不会出现 “java.lang.ClassCastException” 异常呢？答案就是使用泛型。

what is 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）。

  看着好像有点复杂，首先我们看下上面那个例子采用泛型的写法。

public class GenericTest {

    public static void main(String[] args) {
        /*
        List list = new ArrayList();
        list.add("qqyumidi");
        list.add("corn");
        list.add(100);
        */

        List<String> list = new ArrayList<String>();
        list.add("qqyumidi");
        list.add("corn");
        //list.add(100);   // 1  提示编译错误

        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            String name = list.get(i); // 2
            System.out.println("name:" + name);
        }
    }
}

  采用泛型写法后，在//1处想加入一个Integer类型的对象时会出现编译错误，通过List，直接限定了list集合中只能含有String类型的元素，从而在//2处无须进行强制类型转换，因为此时，集合能够记住元素的类型信息，编译器已经能够确认它是String类型了。要解释这个原因需要查看java的List的源码。

public interface List<E> extends Collection<E> {

    int size();

    boolean isEmpty();

    boolean contains(Object o);

    Iterator<E> iterator();

    Object[] toArray();

    <T> T[] toArray(T[] a);

    boolean add(E e);

    boolean remove(Object o);

    boolean containsAll(Collection<?> c);

    boolean addAll(Collection<? extends E> c);

    boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);

    boolean removeAll(Collection<?> c);

    boolean retainAll(Collection<?> c);

    void clear();

    boolean equals(Object o);

    int hashCode();

    E get(int index);

    E set(int index, E element);

    void add(int index, E element);

    E remove(int index);

    int indexOf(Object o);

    int lastIndexOf(Object o);

    ListIterator<E> listIterator();

    ListIterator<E> listIterator(int index);

    List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);
}

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> 
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    
    public E get(int index) {
        rangeCheck(index);
        checkForComodification();
        return ArrayList.this.elementData(offset + index);
    }
    
    //...省略掉其他具体的定义过程

}

  我们可以看到，在List接口中采用泛型化定义之后，中的E表示类型形参，可以接收具体的类型实参，并且此接口定义中，凡是出现E的地方均表示相同的接受自外部的类型实参。

泛型有三种使用方式，分别为：泛型类、泛型接口、泛型方法

1.泛型类

//在实例化泛型类时，必须指定T的具体类型
public class Generic<T>{
    //在类中声明的泛型整个类里面都可以用，除了静态部分，因为泛型是实例化时声明的。
    //静态区域的代码在编译时就已经确定，只与类相关
    class A <E>{
        T t;
    }
    //类里面的方法或类中再次声明同名泛型是允许的，并且该泛型会覆盖掉父类的同名泛型T
    class B <T>{
        T t;
    }
    //静态内部类也可以使用泛型，实例化时赋予泛型实际类型
    static class C <T> {
        T t;
    }
    public static void main(String[] args) {
        //报错，不能使用T泛型，因为泛型T属于实例不属于类
//        T t = null;
    }

    //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;
    }
}

  我们常见的如T、E、K、V等形式的参数常用于表示泛型形参，由于接收来自外部使用时候传入的类型实参。那么对于不同传入的类型实参，生成的相应对象实例的类型是不是一样的呢？

public class GenericTest {

    public static void main(String[] args) {

        Box<String> name = new Box<String>("corn");
        System.out.println("name:" + name.getData());
    }

}

class Box<T> {

    private T data;

    public Box() {

    }

    public Box(T data) {
        this.data = data;
    }

    public T getData() {
        return data;
    }

}

public class GenericTest2 {

    public static void main(String[] args) {

        Box<String> name = new Box<String>("corn");
        Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);

        System.out.println("name class:" + name.getClass());      // com.qqyumidi.Box
        System.out.println("age class:" + age.getClass());        // com.qqyumidi.Box
        System.out.println(name.getClass() == age.getClass());    // true

    }

}

  在使用泛型类时，虽然传入了不同的泛型实参，但并没有真正意义上生成不同的类型，传入不同泛型实参的泛型类在内存上只有一个，即还是原来的最基本的类型（本实例中为Box），当然，在逻辑上我们可以理解成多个不同的泛型类型。

泛型的擦除和补偿

  泛型是运用在编译时期的技术：编译时编译器会按照<类型名>的类型对容器中的元素进行检查，检查不匹配，就编译失败。如果全部检查成功，则编译通过，但，编译通过后产生的.class文件中并没有<类型名>这个标识，即类文件中没有泛型，这就是泛型的擦除。
  一句话总结就是：在.java文件运用泛型技术时，编译器在文件编译通过后自动擦除泛型标识。
  由于泛型的擦除，类文件中没有泛型机制，同时也没有使用向下类型转换，那么为何运行时无异常？
  编译器在擦除泛型后，会自动将类型转换为原定义的"泛型"，这样就不必再做向下类型转换了。
  泛型的擦除和补偿 这两个机制都是编译器内部自动完成的，了解其原理即可。
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。

泛型接口

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

类型的通配符

  接着上面的结论，我们知道，Box <Number> 和Box<Integer>实际上都是Box类型，现在需要继续探讨一个问题，那么在逻辑上，类似于Box<Number>和Box<Integer>是否可以看成具有父子关系的泛型类型呢？

public class GenericTest {

    public static void main(String[] args) {

        Box<Number> name = new Box<Number>(99);
        Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);

        getData(name);
        
        //The method getData(Box<Number>) in the type GenericTest is 
        //not applicable for the arguments (Box<Integer>)
        getData(age);   // 1

    }
    
    public static void getData(Box<Number> data){
        System.out.println("data :" + data.getData());
    }

}

  我们发现，在代码//1处出现了错误提示信息：The method getData(Box<Number>) in the t ype GenericTest is not applicable for the arguments (Box<Integer>)。显然，通过提示信息，我们知道Box<Number>在逻辑上不能视为Box<Integer>的父类。

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  类型通配符一般是使用 ? 代替具体的类型实参。注意了，此处是类型实参，而不是类型形参！且Box<?>在逻辑上是Box<Integer>、Box<Number>…等所有Box<具体类型实参>的父类。由此，我们依然可以定义泛型方法，来完成此类需求。

public class GenericTest {

    public static void main(String[] args) {

        Box<String> name = new Box<String>("corn");
        Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
        Box<Number> number = new Box<Number>(314);

        getData(name);
        getData(age);
        getData(number);
        
        //getUpperNumberData(name); // 1
        getUpperNumberData(age);    // 2
        getUpperNumberData(number); // 3
    }

    public static void getData(Box<?> data) {// Box<?>在逻辑上是Box<Integer>、Box<Number>...等所有Box<具体类型实参>的父类。
        System.out.println("data :" + data.getData());
    }
    
    public static void getUpperNumberData(Box<? extends Number> data){// 只能是Number类及其子类。此时，需要用到类型通配符上限。
        System.out.println("data :" + data.getData());
    }

}

  类型通配符上限通过形如Box<? extends Number>形式定义，相对应的，类型通配符下限为Box<? super Number>形式，其含义与类型通配符上限正好相反。

泛型方法

//注意泛型类先写类名再写泛型，泛型方法先写泛型再写方法名
//类中声明的泛型在成员和方法中可用
class A <T, E>{
    {
        T t1 ;
    }
    A (T t){
        this.t = t;
    }
    T t;

    public void test1() {
        System.out.println(this.t);
    }

    public void test2(T t,E e) {
        System.out.println(t);
        System.out.println(e);
    }
}
@Test
public void run () {
    A <Integer,String > a = new A<>(1);
    a.test1();
    a.test2(2,"ds");
//        1
//        2
//        ds
}

static class B <T>{
    T t;
    public void go () {
        System.out.println(t);
    }
}

泛型方法与可变参数

public class 泛型和可变参数 {
    @Test
    public void test () {
        printMsg("dasd",1,"dasd",2.0,false);
        print("dasdas","dasdas", "aa");
    }
    //普通可变参数只能适配一种类型
    public void print(String ... args) {
        for(String t : args){
            System.out.println(t);
        }
    }
    //泛型的可变参数可以匹配所有类型的参数。。有点无敌
    public <T> void printMsg( T... args){
        for(T t : args){
            System.out.println(t);
        }
    }
        //打印结果：
    //dasd
    //1
    //dasd
    //2.0
    //false

}

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){

    }
}

泛型数组

  查看sun的说明文档，在java中是”不能创建一个确切的泛型类型的数组”的。

也就是说下面的这个例子是不可以的：

List<String>[] ls = new ArrayList<String>[10];  

而使用通配符创建泛型数组是可以的，如下面这个例子：

List<?>[] ls = new ArrayList<?>[10];  

这样也是可以的：

List<String>[] ls = new ArrayList[10];