深入理解 Java 泛型

柔情只为你懂 2022-05-01 13:26 358阅读 0赞

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## 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)
    复制代码

> 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);
    复制代码

使用泛型：

List<String> list = new ArrayList<String>();
    list.add("hello");
    String s = list.get(0);   // no cast
    复制代码

*  **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。

## 泛型类型 ##

**`泛型类型`是被参数化的类或接口。**

### 泛型类 ###

泛型类的语法形式：

class name<T1, T2, ..., Tn> { /* ... */ }
    复制代码

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;
    	}
    }
    复制代码

*  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
    复制代码

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());
    }
    复制代码

> 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}
    复制代码

*  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}}
    复制代码

### 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();
    }
    复制代码

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
    复制代码

*  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:
    // ABC
    复制代码

## 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) {}
    复制代码

**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
    复制代码

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]
    复制代码

## 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
    复制代码

> 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。

## 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; // Erorr
    复制代码

## 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>
    复制代码

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
    复制代码

> 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>
    复制代码

> 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
        }
    }
    复制代码

## 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。

### 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 = 6.0
    复制代码

### 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]
    复制代码

### 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 three
    复制代码

### 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
        }
    }
    复制代码

> 扩展阅读：[Oracle 泛型文档][Oracle]

## 泛型的约束 ##

*  [泛型类型的类型参数不能是值类型][Link 1]

Pair<int, char> p = new Pair<>(8, 'a');  // 编译错误
    复制代码

*  [不能创建类型参数的实例][Link 2]

public static <E> void append(List<E> list) {
        E elem = new E();  // 编译错误
        list.add(elem);
    }
    复制代码

*  [不能声明类型为类型参数的静态成员][Link 3]

public class MobileDevice<T> {
        private static T os; // error
    
        // ...
    }
    复制代码

*  [类型参数不能使用类型转换或 `instanceof`][_instanceof]

public static <E> void rtti(List<E> list) {
        if (list instanceof ArrayList<Integer>) {  // 编译错误
            // ...
        }
    }
    复制代码

List<Integer> li = new ArrayList<>();
    List<Number>  ln = (List<Number>) li;  // 编译错误
    复制代码

*  [不能创建类型参数的数组][Link 4]

List<Integer>[] arrayOfLists = new List<Integer>[2];  // 编译错误
    复制代码

*  [不能创建、catch 或 throw 参数化类型对象][catch _ throw]

// Extends Throwable indirectly
    class MathException<T> extends Exception { /* ... */ }    // 编译错误
    
    // Extends Throwable directly
    class QueueFullException<T> extends Throwable { /* ... */ // 编译错误
    复制代码

public static <T extends Exception, J> void execute(List<J> jobs) {
        try {
            for (J job : jobs)
                // ...
        } catch (T e) {   // compile-time error
            // ...
        }
    }
    复制代码

*  [仅仅是泛型类相同，而类型参数不同的方法不能重载][Link 5]

public class Example {
        public void print(Set<String> strSet) { }
        public void print(Set<Integer> intSet) { } // 编译错误
    }
    复制代码

## 泛型最佳实践 ##

### 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

### 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

## 小结 ##

## 参考资料 ##

*  [Java 编程思想][Java]
 *  [JAVA 核心技术（卷 1）][JAVA _ 1]
 *  [Effective java][]
 *  [Oracle 泛型文档][Oracle]
 *  [Java 泛型详解][Java 1]

转载于:https://juejin.im/post/5c93621ae51d45440d07798e

[blog]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fgithub.com%2Fdunwu%2Fblog
[javacore]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fgithub.com%2Fdunwu%2Fjavacore%2Ftree%2Fmaster%2Fcodes%2Fbasics%2Fsrc%2Fmain%2Fjava%2Fio%2Fgithub%2Fdunwu%2Fjavacore%2Fgenerics
[Oracle]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fdocs.oracle.com%2Fjavase%2Ftutorial%2Fjava%2Fgenerics%2Findex.html
[Link 1]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fdocs.oracle.com%2Fjavase%2Ftutorial%2Fjava%2Fgenerics%2Frestrictions.html%23instantiate
[Link 2]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fdocs.oracle.com%2Fjavase%2Ftutorial%2Fjava%2Fgenerics%2Frestrictions.html%23createObjects
[Link 3]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fdocs.oracle.com%2Fjavase%2Ftutorial%2Fjava%2Fgenerics%2Frestrictions.html%23createStatic
[_instanceof]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fdocs.oracle.com%2Fjavase%2Ftutorial%2Fjava%2Fgenerics%2Frestrictions.html%23cannotCast
[Link 4]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fdocs.oracle.com%2Fjavase%2Ftutorial%2Fjava%2Fgenerics%2Frestrictions.html%23createArrays
[catch _ throw]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fdocs.oracle.com%2Fjavase%2Ftutorial%2Fjava%2Fgenerics%2Frestrictions.html%23cannotCatch
[Link 5]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fdocs.oracle.com%2Fjavase%2Ftutorial%2Fjava%2Fgenerics%2Frestrictions.html%23cannotOverload
[Java]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fbook.douban.com%2Fsubject%2F2130190%2F
[JAVA _ 1]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fbook.douban.com%2Fsubject%2F3146174%2F
[Effective java]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fbook.douban.com%2Fsubject%2F3360807%2F
[Java 1]: https://juejin.im/post/584d36f161ff4b006cccdb82