Java中的泛型

幻昼 2020年12月02日 215次浏览

为什么我们需要泛型？

通过两段代码我们就可以知道为何我们需要泛型

​

public int addInt(int x,int y){
return x+y;
}

public float addFloat(float x,float y){
return x+y;
}

实际开发中，经常有数值类型求和的需求，例如实现int类型的加法, 有时候还需要实现long类型的求和, 如果还需要double类型的求和，需要重新在重载一个输入是double类型的add方法。

public class NonGeneric2 {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList();
        list.add("mark");
        list.add("OK");
        list.add(100); // 失败

        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            String name = list.get(i); // 1
            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。

在如上的编码过程中，我们发现主要存在两个问题：

  1. 当我们将一个对象放入集合中，集合不会记住此对象的类型，当再次从集合中取出此对象时，改对象的编译类型变成了Object类型，但其运行时类型任然为其本身类型。

  2. 因此，//1处取出集合元素时需要人为的强制类型转化到具体的目标类型，且很容易出现“java.lang.ClassCastException”异常。

所以泛型的好处就是：

  • 适用于多种数据类型执行相同的代码

  • 泛型中的类型在使用时指定，不需要强制类型转换

泛型类和泛型接口

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。

引入一个类型变量T（其他大写字母都可以，不过常用的就是T，E，K，V等等），并且用<>括起来，并放在类名的后面。泛型类是允许有多个类型变量的。

public class NormalGeneric<K> {
    private K data;

    public NormalGeneric() {
    }

    public NormalGeneric(K data) {
        this.data = data;
    }
}

public class NormalGeneric2<T,K> {
    private T data;
    private K result;

    public NormalGeneric2() {
    }

    public NormalGeneric2(T data) {
        this();
        this.data = data;
    }
}

泛型接口与泛型类的定义基本相同。

public interface Genertor<T> {
    public T next();
}

而实现泛型接口的类，有两种实现方法：

  1. 未传入泛型实参时：
public class ImplGenertor<T> implements Genertor<T> {
    @Override
    public T next() {
        return null;
    }
}

​ 在new出类的实例时，需要指定具体类型：

ImplGenertor<String> implGenertor = new ImplGenertor<>();
  1. 传入泛型实参
public class ImplGenertor2 implements Genertor<String> {
    @Override
    public String next() {
        return null;
    }
}

​ 在new出类的实例时，和普通的类没区别。

泛型方法

public class GenericMethod {

    public <T> T genericMethod(T...a){
        return a[a.length/2];
    }

    public void test(int x,int y){
        System.out.println(x+y);
    }

    public static void main(String[] args) {
        GenericMethod genericMethod = new GenericMethod();
        genericMethod.test(23,343);
        System.out.println(genericMethod.<String>genericMethod("mark","av","lance"));
        System.out.println(genericMethod.genericMethod(12,34));
    }
}

泛型方法，是在调用方法的时候指明泛型的具体类型 ，泛型方法可以在任何地方和任何场景中使用，包括普通类和泛型类。注意泛型类中定义的普通方法和泛型方法的区别。

  1. 普通方法

        public class Generic<T>{
        private T key;

        public Generic(T key) {
            this.key = key;
        }

        //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;
        }
        }

  2. 泛型方法

        /**
     * 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
     */

    public <T, K> K showKeyName(Generic<T> container) {
        //...
    }

限定类型变量

有时候，我们需要对类型变量加以约束，比如计算两个变量的最小，最大值。

    public static <T> T min(T a, T b) {
        if (a.comapareTo(b) > 0) return a;
        else return b;
    }

请问，如果确保传入的两个变量一定有compareTo方法？那么解决这个问题的方案就是将T限制为实现了接口Comparable的类

    public static <T extends ArrayList & Comparable> T min(T a, T b) {
        if (a.compareTo(b) > 0) return a;
        else return b;
    }

T extends Comparable中

T表示应该绑定类型的子类型，Comparable表示绑定类型，子类型和绑定类型可以是类也可以是接口。

如果这个时候，我们试图传入一个没有实现接口Comparable的类的实例，将会发生编译错误。

    static class Test {
    }

    public static void main(String[] args) {
        ArrayAlg.min(new Test(),new Test());
    }

同时extends左右都允许有多个，如 T,V extend Comparable & Serializable

注意限定类型中，只允许有一个类，而且如果有类，这个类必须是限定列表的第一个。

这种类的限定既可以用在泛型方法上也可以用在泛型类上。

泛型中的约束和局限性

现在我们有泛型类

public class Restrict<T> {

不能用基本类型实例化类型参数

//Restrict<double> 不允许
Restrict<Double> restrict = new Restrict<>();

运行时类型查询只适用于原始类型

//        if(restrict instanceof  Restrict<Double>)
//        if(restrict instanceof  Restrict<T>)

        Restrict<String> restrictString= new Restrict<>();

        System.out.println(restrict.getClass()==restrictString.getClass());
        System.out.println(restrict.getClass().getName());
        System.out.println(restrictString.getClass().getName());

泛型类的静态上下文中类型变量失效

    //静态域或者方法里不能引用类型变量
    //private static T instance;
    //静态方法 本身是泛型方法就行
    //private static <T> T getInstance(){}

不能在静态域或方法中引用类型变量。因为泛型是要在对象创建的时候才知道是什么类型的，而对象创建的代码执行先后顺序是static的部分，然后才是构造函数等等。所以在对象初始化之前static的部分已经执行了，如果你在静态部分引用的泛型，那么毫无疑问虚拟机根本不知道是什么东西，因为这个时候类还没有初始化

不能创建参数化类型的数组

        Restrict<Double>[] restrictArray;
//        Restrict<Double>[] restricts = new Restrict<Double>[10];
//        ArrayList<String>[] list1 = new ArrayList<String>[10];
//        ArrayList<String>[] list2 = new ArrayList[10];

不能实例化类型变量

    //不能实例化类型变量
//    public Restrict() {
//        this.data = new T();
//    }

不能捕获泛型类的实例

    /*泛型类不能extends Exception/Throwable*/
    //private class Problem<T> extends Exception;

    /*不能捕获泛型类对象*/
//    public <T extends Throwable> void doWork(T x){
//        try{
//
//        }catch(T x){
//            //do sth;
//        }
//    }


    public <T extends Throwable> void doWorkSuccess(T x) throws T{
        try{

        }catch(Throwable e){
            throw x;
        }
    }

泛型类型的继承规则

现在我们有一个类和子类

public class Employee {}
public class Worker extends Employee {
}

有一个泛型类

public class Pair<T> {

请问Pair和Pair是继承关系吗？

答案：不是，他们之间没有什么关系

//Pair<Employee> employeePair2 = new Pair<Worker>();

但是泛型类可以继承或者扩展其他泛型类，比如List和ArrayList

Pair<Employee> pair = new ExtendPair<>();
/*泛型类可以继承或者扩展其他泛型类，比如List和ArrayList*/
private static class ExtendPair<T> extends Pair<T>{}

通配符类型

正是因为前面所述的，Pair和Pair没有任何关系，如果我们有一个泛型类和一个方法

public static void print(GenericType<Fruit> p){
    System.out.println(p.getData().getColor());
}

public class GenericType<T> {

现在我们有继承关系的类

public class Fruit extends Food {}
public class Orange extends Fruit {
}

public class Apple extends Fruit {
}
public class HongFuShi extends Apple {
}

则会产生这种情况：

    public static void print(GenericType<Fruit> p){
        System.out.println(p.getData().getColor());
    }

    public static void use(){
       GenericType<Fruit> a = new GenericType<>();
        print(a);
       GenericType<Orange> b = new GenericType<>();
//        print(b);
    }

为解决这个问题，于是提出了一个通配符类型 ?

有两种使用方式：

？ extends X 表示类型的上界，类型参数是X的子类

？ super X 表示类型的下界，类型参数是X的超类

这两种 方式从名字上来看，特别是super，很有迷惑性，下面我们来仔细辨析这两种方法。

？ extends X

表示传递给方法的参数，必须是X的子类（包括X本身）

    public static void print2(GenericType<? extends Fruit> p){
        System.out.println(p.getData().getColor());
    }

    public static void use2(){
        GenericType<Fruit> a = new GenericType<>();
        print2(a);
        GenericType<Orange> b = new GenericType<>();
        print2(b);
        //print2(new GenericType<Food>());
        GenericType<? extends Fruit> c =  new GenericType<>();

        Apple apple =  new Apple();
        Fruit fruit = new Fruit();
        //c.setData(apple);
        //c.setData(fruit);
        Fruit x = c.getData();
    }

但是对泛型类GenericType来说，如果其中提供了get和set类型参数变量的方法的话，set方法是不允许被调用的，会出现编译错误

public class GenericType<T> {
    private T data;

    public T getData() {
        return data;
    }

    public void setData(T data) {
        this.data = data;
    }
}

GenericType<? extends Fruit> c =  new GenericType<>();

Apple apple =  new Apple();
Fruit fruit = new Fruit();
//c.setData(apple);
//c.setData(fruit);

get方法则没问题，会返回一个Fruit类型的值。

Fruit x = c.getData();

为何？

道理很简单，？ extends X 表示类型的上界，类型参数是X的子类，那么可以肯定的说，get方法返回的一定是个X（不管是X或者X的子类）编译器是可以确定知道的。但是set方法只知道传入的是个X，至于具体是X的那个子类，不知道。

总结：主要用于安全地访问数据，可以访问X及其子类型，并且不能写入非null的数据。

？ super X

表示传递给方法的参数，必须是X的超类（包括X本身）

    public static void printSuper(GenericType<? super Apple> p){
        System.out.println(p.getData());
    }

    public static void useSuper(){
        GenericType<Fruit> fruitGenericType = new GenericType<>();
        GenericType<Apple> appleGenericType = new GenericType<>();
        GenericType<HongFuShi> hongFuShiGenericType = new GenericType<>();
        GenericType<Orange> orangeGenericType = new GenericType<>();
        printSuper(fruitGenericType);
        printSuper(appleGenericType);
//        printSuper(hongFuShiGenericType);
//        printSuper(orangeGenericType);

但是对泛型类GenericType来说，如果其中提供了get和set类型参数变量的方法的话，set方法可以被调用的，且能传入的参数只能是X或者X的子类

public class GenericType<T> {
    private T data;

    public T getData() {
        return data;
    }

    public void setData(T data) {
        this.data = data;
    }
}

//表示GenericType的类型参数的下界是Apple
GenericType<? super Apple> x = new GenericType<>();
x.setData(new Apple());
x.setData(new HongFuShi());
//x.setData(new Fruit());
Object data = x.getData();

get方法只会返回一个Object类型的值。

为何？

？ super X 表示类型的下界，类型参数是X的超类（包括X本身），那么可以肯定的说，get方法返回的一定是个X的超类，那么到底是哪个超类？不知道，但是可以肯定的说，Object一定是它的超类，所以get方法返回Object。编译器是可以确定知道的。对于set方法来说，编译器不知道它需要的确切类型，但是X和X的子类可以安全的转型为X。

总结：主要用于安全地写入数据，可以写入X及其子类型。

无限定的通配符 ?

表示对类型没有什么限制，可以把？看成所有类型的父类，如Pair< ?>；

比如：

ArrayList<T> al=new ArrayList<T>(); 指定集合元素只能是T类型

ArrayList<?> al=new ArrayList<?>();集合元素可以是任意类型，这种没有意义，一般是方法中，只是为了说明用法。

在使用上：

？ getFirst() ： 返回值只能赋给 Object，；

void setFirst(?) ： setFirst 方法不能被调用， 甚至不能用 Object 调用；

虚拟机是如何实现泛型的？

泛型思想早在C++语言的模板（Template）中就开始生根发芽，在Java语言处于还没有出现泛型的版本时，只能通过Object是所有类型的父类和类型强制转换两个特点的配合来实现类型泛化。，由于Java语言里面所有的类型都继承于java.lang.Object，所以Object转型成任何对象都是有可能的。但是也因为有无限的可能性，就只有程序员和运行期的虚拟机才知道这个Object到底是个什么类型的对象。在编译期间，编译器无法检查这个Object的强制转型是否成功，如果仅仅依赖程序员去保障这项操作的正确性，许多ClassCastException的风险就会转嫁到程序运行期之中。

泛型技术在C#和Java之中的使用方式看似相同，但实现上却有着根本性的分歧，C#里面泛型无论在程序源码中、编译后的IL中（Intermediate Language，中间语言，这时候泛型是一个占位符），或是运行期的CLR中，都是切实存在的，List＜int＞与List＜String＞就是两个不同的类型，它们在系统运行期生成，有自己的虚方法表和类型数据，这种实现称为类型膨胀，基于这种方法实现的泛型称为真实泛型。

Java语言中的泛型则不一样，它只在程序源码中存在，在编译后的字节码文件中，就已经替换为原来的原生类型（Raw Type，也称为裸类型）了，并且在相应的地方插入了强制转型代码，因此，对于运行期的Java语言来说，ArrayList＜int＞与ArrayList＜String＞就是同一个类，所以泛型技术实际上是Java语言的一颗语法糖，Java语言中的泛型实现方法称为类型擦除，基于这种方法实现的泛型称为伪泛型。

将一段Java代码编译成Class文件，然后再用字节码反编译工具进行反编译后，将会发现泛型都不见了，程序又变回了Java泛型出现之前的写法，泛型类型都变回了原生类型

    public static String method(List<String> stringList){
        System.out.println("List");
        return "OK";
    }

    public static Integer method(List<Integer> stringList){
        System.out.println("List");
        return 1;
    }

上面这段代码是不能被编译的，因为参数List＜Integer＞和List＜String＞编译之后都被擦除了，变成了一样的原生类型List＜E＞，擦除动作导致这两种方法的特征签名变得一模一样。

由于Java泛型的引入，各种场景（虚拟机解析、反射等）下的方法调用都可能对原有的基础产生影响和新的需求，如在泛型类中如何获取传入的参数化类型等。因此，JCP组织对虚拟机规范做出了相应的修改，引入了诸如Signature、LocalVariableTypeTable等新的属性用于解决伴随泛型而来的参数类型的识别问题，Signature是其中最重要的一项属性，它的作用就是存储一个方法在字节码层面的特征签名[3]，这个属性中保存的参数类型并不是原生类型，而是包括了参数化类型的信息。修改后的虚拟机规范要求所有能识别49.0以上版本的Class文件的虚拟机都要能正确地识别Signature参数。

另外，从Signature属性的出现我们还可以得出结论，擦除法所谓的擦除，仅仅是对方法的Code属性中的字节码进行擦除，实际上元数据中还是保留了泛型信息，这也是我们能通过反射手段取得参数化类型的根本依据。

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