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[Java]泛型

泛型
一、泛型的定义
1、什么是java泛型?
泛型是Java SE 1.5的新特性,泛型的本质是参数化类型,也就是说所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、接口和方法的创建中,分别称为泛型类、泛型接口、泛型方法。

2、为什么需要泛型?
Java语言引入泛型的好处是安全简单。可以将运行时错误提前到编译时错误。
在Java SE 1.5之前,没有泛型的情况的下,通过对类型Object的引用来实现参数的“任意化”,“任意化”带来的缺点是要做显式的强制类型转换,
而这种转换是要求开发者对实际参数类型可以预知的情况下进行的。对于强制类型转换错误的情况,编译器可能不提示错误,在运行的时候才出现
异常,这是一个安全隐患。泛型的好处是在编译的时候检查类型安全,并且所有的强制转换都是自动和隐式的,提高代码的重用率。

3、泛型的好处?
(1)类型安全。
通过知道使用泛型定义的变量的类型限制,编译器可以更有效地提高Java程序的类型安全。
(2)消除强制类型转换。
消除源代码中的许多强制类型转换。这使得代码更加可读,并且减少了出错机会。所有的强制转换都是自动和隐式的。
(3)提高性能。


4、泛型使用的注意事项
(1)泛型类型变量不能是基本数据类型。
就比如,没有ArrayList<double>,只有ArrayList<Double>。因为当类型擦除后,ArrayList的原始类中的类型变量(T)替换为Object,
但Object类型不能存储double值。

(2)泛型的类型参数可以有多个,用逗号分隔。
Node<T,E,V,K>

(3)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( arrayList instanceof ArrayList<String>){}//编译错误

(4)不能创建一个确切的泛型类型的数组。
例如:List<String>[] ls = new ArrayList<String>[10];//编译报错
List<String>[] list = new ArrayList[10];//正确
List<?>[] ls = new ArrayList<?>[10];//正确

(5)泛型在静态方法和静态类中的问题
泛型类中的静态方法和静态变量不可以使用泛型类所声明的泛型类型参数
public /*static*/ class StaticGenerator<T> {
//泛型的静态方法
public static <T> void show(T t){
System.out.println("泛型测试:t is " + t);
}

/*public static T one; //编译错误
public static T print(T one){ //编译错误
return null;
}*/
}
因为泛型类中的泛型参数的实例化是在定义泛型类型对象(例如ArrayList<Integer>)的时候指定的,而静态变量和静态方法不需要使用对象来调用。
对象都没有创建,如何确定这个泛型参数是何种类型,所以当然是错误的。但是要注意区分下面的一种情况:
泛型方法:在泛型方法中使用的T是自己在方法中定义的T,而不是泛型类中的T。

(6)泛型类型引用传递问题
在Java中,像下面形式的引用传递是不允许的:
ArrayList<String> arrayList1=new ArrayList<Object>();//编译错误
ArrayList<Object> arrayList2=new ArrayList<String>();//编译错误

二、泛型的实现原理
1、类型擦除
ArrayList<String> arrayString = new ArrayList<String>();
ArrayList<Integer> arrayInteger = new ArrayList<Integer>();
System.out.println(arrayString.getClass() == arrayInteger.getClass());//输出:true
在编译期间,所有的泛型信息都会被擦除,List<Integer>和List<String>类型,在编译后都会变成List类型(原始类型)。
Java中的泛型基本上都是在编译器这个层次来实现的,这也是Java的泛型被称为“伪泛型”的原因。

2、原始类型
原始类型就是泛型类型擦除了泛型信息后,在字节码中真正的类型。无论何时定义一个泛型类型,相应的原始类型都会被自动提供。
原始类型的名字就是删去类型参数后的泛型类型的类名。擦除类型变量,并替换为限定类型(T为无限定的类型变量,用Object替换)。
//泛型类型
class Pair<T> {
private T value;
public T getValue() {
return value;
}
public void setValue(T value) {
this.value = value;
}
}
//原始类型
class Pair {
private Object value;
public Object getValue() {
return value;
}
public void setValue(Object value) {
this.value = value;
}
}
在Pair<T>中,T是一个无限定的类型变量,所以用Object替换。如果是Pair<T extends Number>,擦除后,类型变量用Number类型替换。

3、桥接方法
Node<T>:声明Node<String>还是Node<Integer>,到了运行期间,JVM统统视为Node<Object>。
原因:对于泛型代码,Java编译器实际上还会偷偷帮我们实现一个Bridge method(桥接方法)。
解决办法:Node<T extends Comparable<T>> 代替 Node<T>
public class Node<T> {
public T data;
public Node(T data) { this.data = data; }
public void setData(T data) {
System.out.println("Node.setData");
this.data = data;
}
}
public class MyNode extends Node<Integer> {
public MyNode(Integer data) { super(data); }
public void setData(Integer data) {
System.out.println("MyNode.setData");
super.setData(data);
}
}
测试代码如下:
MyNode mn = new MyNode(5);
Node n = mn; // A raw type - compiler throws an unchecked warning
n.setData("Hello"); // Causes a ClassCastException to be thrown.
Integer x = mn.data;
System.out.println(n.toString());
System.out.println(x);

编译之后的代码如下:
class MyNode extends Node {
// Bridge method generated by the compiler
public void setData(Object data) {
setData((Integer) data);
}
public void setData(Integer data) {
System.out.println("MyNode.setData");
super.setData(data);
}
// ...
}

三、泛型的使用
1、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:
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;
}
}

2、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();
}

/**
* 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)];
}
}

3、泛型方法
1> 定义泛型方法时,必须在返回值前边加一个<T>,来声明这是一个泛型方法,持有一个泛型T,然后才可以用泛型T作为方法的返回值。
Class<T>的作用就是指明泛型的具体类型,而Class<T>类型的变量c,可以用来创建泛型类的对象。
/**
* 泛型方法
* Created by zhongtian465 on 2017-10-12.
*/
public class GenericMethod {
/**
* 泛型方法
* @param clazz 用来创建泛型对象 、Class<T>:指明泛型T的具体类型
* @param <T> 声明此方法为泛型方法,且有个类型T
* @return T 返回类型是T
* @throws IllegalAccessException
* @throws InstantiationException
*/
public <T> T getObject(Class<T> clazz) throws IllegalAccessException, InstantiationException {
T object= clazz.newInstance();
return object;
}

public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, InstantiationException, IllegalAccessException {
GenericMethod genericMethod = new GenericMethod();
User user = (User) genericMethod.getObject(Class.forName("com.zt.study.java.generic.User"));
System.out.println(user);
}
}
为什么要使用泛型方法呢?
因为泛型类要在实例化的时候就指明类型,如果想换一种类型,不得不重新new一次,可能不够灵活;而泛型方法可以在调用的时候指明类型,更加灵活。

2> 泛型方法中包含多个泛型的例子
public class GenericMore<T,K> extends Generic<T> {
private K k;

public GenericMore(T key) {
super(key);
}

/**
* 泛型方法中包含多个泛型的例子
* @param container
* @param <T>
* @param <V>
* @return
*/
public <T,V> V getValue(Generic<T> container){
T key = container.getKey();
System.out.println("container key :" + key);

Map<T,V> map = new HashMap<>();
V vaule = map.get(key);

return vaule;
}

public static void main(String[] args) {
GenericMore m = new GenericMore("name");
String value= (String) m.getValue(new Generic("key"));
System.out.println(value);
}
}

3> 泛型方法与可变参数
public <T> void printMsg( T... args){
for(T t : args){
System.out.println("泛型测试:t is " + t);
}
}

4> 静态泛型方法
/**
* 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){
System.out.println("泛型测试:t is " + t);
}

4、泛型的使用实例
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){

}
*/
}

4、通配符
1> 通配符的上界
使用extends关键字指定这个类型必须是继承某个类,或者实现某个接口,也可以是这个类或接口本身。如:List<? extends Number>

2> 通配符的下界
使用extends关键字通过确保类型必须是T的父类来设定类型的下界。如:List<? super Integer>

3> 无界通配符
不加任何修饰即可,单独一个“?”。“?”可以代表任意类型,“任意”也就是未知类型。如:List<?>

4> 限定通配符和非限定通配符
限定通配符对类型进行了限制。有两种限定通配符,一种是<? extends T>它通过确保类型必须是T的子类来设定类型的上界,
另一种是<? super T>它通过确保类型必须是T的父类来设定类型的下界。泛型类型必须用限定内的类型来进行初始化,否则会导致编译错误。
另一方面<?>表示了非限定通配符,因为<?>可以用任意类型来替代。

5> 通配符的使用场景
使用原则:producer-extends, consumer-super.
i) 要从泛型类取数据时,用extends;
ii) 要往泛型类写数据时,用super;
iii)既要取又要写,就不用通配符(即extends与super都不用)。

例子:
// Wildcard type for parameter that serves as an E producer
public void pushAll(Iterable<? extends E> src) {
for (E e : src)
push(e);
}
假设有一个实例化Stack<Number>的对象stack,src有Iterable<Integer>与 Iterable<Float>;
在调用pushAll方法时会发生type mismatch错误,因为Java中泛型是不可变的,
Iterable<Integer>与 Iterable<Float>都不是Iterable<Number>的子类型。

// Wildcard type for parameter that serves as an E consumer
public void popAll(Collection<? super E> dst) {
while (!isEmpty())
dst.add(pop());
}
假设有一个实例化Stack<Number>的对象stack,dst为Collection<Object>;
调用popAll方法是会发生type mismatch错误,因为Collection<Object>不是Collection<Number>的子类型。


java.util.Collections的copy方法(JDK1.7)完美地诠释了:
public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
int srcSize = src.size();
if (srcSize > dest.size())
throw new IndexOutOfBoundsException("Source does not fit in dest");

if (srcSize < COPY_THRESHOLD ||
(src instanceof RandomAccess && dest instanceof RandomAccess)) {
for (int i=0; i<srcSize; i++)
dest.set(i, src.get(i));
} else {
ListIterator<? super T> di=dest.listIterator();
ListIterator<? extends T> si=src.listIterator();
for (int i=0; i<srcSize; i++) {
di.next();
di.set(si.next());
}
}
}

四、逆变与协变
1、Liskov替换原则(Liskov Substitution Principle, LSP):
所有引用基类(父类)的地方必须能透明地使用其子类的对象。
LSP包含以下四层含义:
1> 子类完全拥有父类的方法,且具体子类必须实现父类的抽象方法。
2> 子类中可以增加自己的方法。
3> 当子类覆盖或实现父类的方法时,方法的形参要比父类方法的更为宽松。
4> 当子类覆盖或实现父类的方法时,方法的返回值要比父类更严格。

2、逆变与协变的定义:
逆变与协变用来描述类型转换(type transformation)后的继承关系,其定义:
如果A、B表示类型,f(?)f(?)表示类型转换,≤表示继承关系(比如,A≤BA≤B表示A是由B派生出来的子类);
f(?)f(?)是逆变(contravariant)的,当A≤BA≤B时有f(B)≤f(B)f(A)≤f(A)成立;
f(?)f(?)是协变(covariant)的,当A≤BA≤B时有f(A)≤f(B)f(A)≤f(B)成立;
f(?)f(?)是不变(invariant)的,当A≤BA≤B时上述两个式子均不成立,即f(A)f(A)与f(B)f(B)相互之间没有继承关系。
3、泛型的逆变与协变
令f(A)=ArrayList<A>,那么f(?)f(?)时逆变、协变还是不变的呢?
如果是逆变,则ArrayList<Integer>是ArrayList<Number>的父类型;
如果是协变,则ArrayList<Integer>是ArrayList<Number>的子类型;
如果是不变,二者没有相互继承关系。

例子:
1> 不变
ArrayList<Number> list = new ArrayList<Integer>(); //type mismatch
List<? extends Number> list2 = new ArrayList<Number>();
list2.add(new Integer(1)); //编译错误
list2.add(new Float(1.2f)); //编译错误
说明类型是不变的。

2> 协变
List<? extends Number> list3 = new ArrayList<Integer>();
Integer是Number的子类 :<? extends>实现了泛型的协变

3> 逆变
List<? super Number> list4 = new ArrayList<Object>();
Object是Number的父类 :<? super>实现了泛型的逆变

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