[Java知识库] Java泛型

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[Java知识库]Java泛型

Java泛型

1. 概述

泛型在java中有很重要的地位，在面向对象编程及各种设计模式中有非常广泛的应用。

什么是泛型？为什么要使用泛型？

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）。

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。

2. 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;
    }
}

3. 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();
}

当实现泛型接口的类，未传入泛型实参时：

/**
 * 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;
    }
}

当实现泛型接口的类，传入泛型实参时：

/**
 * 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)];
    }
}

4. 泛型方法

泛型类，是在实例化类的时候指明泛型的具体类型；泛型方法，是在调用方法的时候指明泛型的具体类型。

/**
 * 泛型方法的基本介绍
 * @param tClass 传入的泛型实参
 * @return T 返回值为T类型
 * 说明：
 *     1）public 与 返回值中间<T>非常重要，可以理解为声明此方法为泛型方法。
 *     2）只有声明了<T>的方法才是泛型方法，泛型类中的使用了泛型的成员方法并不是泛型方法。
 *     3）<T>表明该方法将使用泛型类型T，此时才可以在方法中使用泛型类型T。
 *     4）与泛型类的定义一样，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。
 */
public <T> T genericMethod(Class<T> tClass)throws InstantiationException ,
  IllegalAccessException{
        T instance = tClass.newInstance();
        return instance;
}

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:

泛型类中的普通方法

public class Flutter<T>{
    private T Key;
    public Flutter(T key){
        this.key=key;
    }
    //虽然在方法中使用了泛型，但这并不是一个泛型方法。他的返回值是泛型类已经声明过的泛型。
    public T getKey(){
        
    }
}

泛型类中的泛型方法

/**
* 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，这表明这是个泛型方法，并且声明了一个泛型T
* 这个T可以出现在泛型方法的任意位置
* 泛型的数量也可以为任意多个
*/
public <T> T showKeyName(Flutter<T> flutter){
    T test=flutter.getKey();
    return test;
}

5、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.compareTo(b)>0){
        return a;
    }else{
        return b;
    }
}

如何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Comparable的类。

public static <T extends 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。
同时extends左右都允许有多个，如 T,V extends 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。

6、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>这种不允许
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>){} 这种不允许
//if(restrict instanceof Restrict<T>){} 这种不允许
Restrict<String> restrictString = new Restrict<>();
restrict.getClass() == restrictString.getClass()//true
restrict.getClass().getName()//包名.Restrict

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];

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;
    }
}

7. 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> {}

Pair和Pair是继承关系吗？

答案：不是，他们之间没有什么关系

但是泛型类可以继承或者扩展其他泛型类，比如List和ArrayList

/*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>{

}

8. 泛型通配符

我们有一个泛型类和一个方法

public class GenericType<T> {
    private T data;

    public T getData() {
        return data;
    }

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

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

现在我们有继承关系的类

public class Fruit{
}
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 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）

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

get方法则没问题，会返回一个Fruit类型的值。

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);
    GenericType<? extends Fruit> c =  b;
    Apple apple =  new Apple();
    Fruit fruit = new Fruit();
    //c.setData(apple);//不允许
    //c.setData(fruit);//不允许
    //get方法则没问题，会返回一个Fruit类型的值。
    Fruit x = c.getData();
}

？ 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）

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

get方法只会返回一个Object类型的值。

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);


	//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();

}

？ 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 al=new ArrayList(); 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；

9. 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){
    return "OK";
}
public static Integer method(List<Integer> integerList){
    return 0;
}

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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