Java中的泛型

围巾🧣 2020年12月02日 456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

  1. public int addInt(int x,int y){
  2. return x+y;
  3. }

  4. public float addFloat(float x,float y){
  5. return x+y;
  6. }

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。

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

  7. for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
  8. String name = list.get(i); // 1
  9. System.out.println("name:" + name);
  10. }
  11. }
  12. }

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。

  1. public class NormalGeneric<K> {
  2. private K data;

  3. public NormalGeneric() {
  4. }

  5. public NormalGeneric(K data) {
  6. this.data = data;
  7. }
  8. }

  9. public class NormalGeneric2<T,K> {
  10. private T data;
  11. private K result;

  12. public NormalGeneric2() {
  13. }

  14. public NormalGeneric2(T data) {
  15. this();
  16. this.data = data;
  17. }
  18. }

泛型接口与泛型类的定义基本相同。

  1. public interface Genertor<T> {
  2. public T next();
  3. }

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:
  1. public class ImplGenertor<T> implements Genertor<T> {
  2. @Override
  3. public T next() {
  4. return null;
  5. }
  6. }

​ 在new出类的实例时,需要指定具体类型:

  1. ImplGenertor<String> implGenertor = new ImplGenertor<>();
  1. 传入泛型实参
  1. public class ImplGenertor2 implements Genertor<String> {
  2. @Override
  3. public String next() {
  4. return null;
  5. }
  6. }

​ 在new出类的实例时,和普通的类没区别。

泛型方法

  1. public class GenericMethod {

  2. public <T> T genericMethod(T...a){
  3. return a[a.length/2];
  4. }

  5. public void test(int x,int y){
  6. System.out.println(x+y);
  7. }

  8. public static void main(String[] args) {
  9. GenericMethod genericMethod = new GenericMethod();
  10. genericMethod.test(23,343);
  11. System.out.println(genericMethod.<String>genericMethod("mark","av","lance"));
  12. System.out.println(genericMethod.genericMethod(12,34));
  13. }
  14. }

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

    1. public class Generic<T>{
    2. private T key;

    3. public Generic(T key) {
    4. this.key = key;
    5. }

    6. //虽然在方法中使用了泛型,但是这并不是一个泛型方法。
    7. //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。
    8. //所以在这个方法中才可以继续使用 T 这个泛型。
    9. public T getKey(){
    10. return key;
    11. }
    12. }
  2. 泛型方法

    1. /**
    2. * 这才是一个真正的泛型方法。
    3. * 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
    4. * 这个T可以出现在这个泛型方法的任意位置.
    5. * 泛型的数量也可以为任意多个
    6. */

    7. public <T, K> K showKeyName(Generic<T> container) {
    8. //...
    9. }

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。

  1. public static <T> T min(T a, T b) {
  2. if (a.comapareTo(b) > 0) return a;
  3. else return b;
  4. }

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

  1. public static <T extends ArrayList & Comparable> T min(T a, T b) {
  2. if (a.compareTo(b) > 0) return a;
  3. else return b;
  4. }

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。

  1. static class Test {
  2. }

  3. public static void main(String[] args) {
  4. ArrayAlg.min(new Test(),new Test());
  5. }

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

  1. public class Restrict<T> {

不能用基本类型实例化类型参数

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

运行时类型查询只适用于原始类型

  1. // if(restrict instanceof Restrict<Double>)
  2. // if(restrict instanceof Restrict<T>)

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

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

泛型类的静态上下文中类型变量失效

  1. //静态域或者方法里不能引用类型变量
  2. //private static T instance;
  3. //静态方法 本身是泛型方法就行
  4. //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

  1. Restrict<Double>[] restrictArray;
  2. // Restrict<Double>[] restricts = new Restrict<Double>[10];
  3. // ArrayList<String>[] list1 = new ArrayList<String>[10];
  4. // ArrayList<String>[] list2 = new ArrayList[10];

不能实例化类型变量

  1. //不能实例化类型变量
  2. // public Restrict() {
  3. // this.data = new T();
  4. // }

不能捕获泛型类的实例

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

  3. /*不能捕获泛型类对象*/
  4. // public <T extends Throwable> void doWork(T x){
  5. // try{
  6. //
  7. // }catch(T x){
  8. // //do sth;
  9. // }
  10. // }


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

  13. }catch(Throwable e){
  14. throw x;
  15. }
  16. }

泛型类型的继承规则

现在我们有一个类和子类

  1. public class Employee {}
  2. public class Worker extends Employee {
  3. }

有一个泛型类

  1. 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

  1. //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

  1. Pair<Employee> pair = new ExtendPair<>();
  2. /*泛型类可以继承或者扩展其他泛型类,比如List和ArrayList*/
  3. 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

  1. public static void print(GenericType<Fruit> p){
  2. System.out.println(p.getData().getColor());
  3. }

  4. public class GenericType<T> {

现在我们有继承关系的类

  1. public class Fruit extends Food {}
  2. public class Orange extends Fruit {
  3. }

  4. public class Apple extends Fruit {
  5. }
  6. public class HongFuShi extends Apple {
  7. }

则会产生这种情况:

  1. public static void print(GenericType<Fruit> p){
  2. System.out.println(p.getData().getColor());
  3. }

  4. public static void use(){
  5. GenericType<Fruit> a = new GenericType<>();
  6. print(a);
  7. GenericType<Orange> b = new GenericType<>();
  8. // print(b);
  9. }

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)

  1. public static void print2(GenericType<? extends Fruit> p){
  2. System.out.println(p.getData().getColor());
  3. }

  4. public static void use2(){
  5. GenericType<Fruit> a = new GenericType<>();
  6. print2(a);
  7. GenericType<Orange> b = new GenericType<>();
  8. print2(b);
  9. //print2(new GenericType<Food>());
  10. GenericType<? extends Fruit> c = new GenericType<>();

  11. Apple apple = new Apple();
  12. Fruit fruit = new Fruit();
  13. //c.setData(apple);
  14. //c.setData(fruit);
  15. Fruit x = c.getData();
  16. }

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

  1. public class GenericType<T> {
  2. private T data;

  3. public T getData() {
  4. return data;
  5. }

  6. public void setData(T data) {
  7. this.data = data;
  8. }
  9. }

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

  11. Apple apple = new Apple();
  12. Fruit fruit = new Fruit();
  13. //c.setData(apple);
  14. //c.setData(fruit);

get方法则没问题,会返回一个Fruit类型的值。

  1. 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)

  1. public static void printSuper(GenericType<? super Apple> p){
  2. System.out.println(p.getData());
  3. }

  4. public static void useSuper(){
  5. GenericType<Fruit> fruitGenericType = new GenericType<>();
  6. GenericType<Apple> appleGenericType = new GenericType<>();
  7. GenericType<HongFuShi> hongFuShiGenericType = new GenericType<>();
  8. GenericType<Orange> orangeGenericType = new GenericType<>();
  9. printSuper(fruitGenericType);
  10. printSuper(appleGenericType);
  11. // printSuper(hongFuShiGenericType);
  12. // 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

  1. public class GenericType<T> {
  2. private T data;

  3. public T getData() {
  4. return data;
  5. }

  6. public void setData(T data) {
  7. this.data = data;
  8. }
  9. }

  10. //表示GenericType的类型参数的下界是Apple
  11. GenericType<? super Apple> x = new GenericType<>();
  12. x.setData(new Apple());
  13. x.setData(new HongFuShi());
  14. //x.setData(new Fruit());
  15. 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

  1. public static String method(List<String> stringList){
  2. System.out.println("List");
  3. return "OK";
  4. }

  5. public static Integer method(List<Integer> stringList){
  6. System.out.println("List");
  7. return 1;
  8. }

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。