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[Java知识库]泛型：了解泛型与通配符

一、引出泛型

1、什么是泛型：

一般的类和方法，只能使用具体的类型: 要么是基本类型，要么是自定义的类。如果要编写可以应用于多种类型的代码，这种刻板的限制对代码的束缚就会很大。----- 来源《Java编程思想》对泛型的介绍。

泛型是在JDK1.5引入的新的语法，通俗讲，泛型：就是适用于许多许多类型。从代码上讲，就是对类型实现了参数化。

2、代码测试

实现一个类，类中包含一个数组成员，使得数组中可以存放任何类型的数据，也可以根据成员方法返回数组中某个下标的值？

思路：

我们以前学过的数组，只能存放指定类型的元素，例如：int[] array = new int[10]; String[] strs = new String[10];
所有类的父类，默认为Object类。数组是否可以创建为Object?

class MyArray {
    public Object[] objects = new Object[10];

    public void set(int pos, Object val) {
        objects[pos] = val;
    }

    public Object get(int pos) {
        return objects[pos];
    }
}

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyArray myArray = new MyArray();
        myArray.set(0, "bit");
        myArray.set(1, 10);;

        // String str = myArray.get(0); // 编译报错
        String str = (String) myArray.get(0);
    }

    public static void main1(String[] args) {
        PriorityQueue<Integer> priorityQueue = new PriorityQueue<>();
        // 每放一个元素 都得保证当前的堆 是大堆 或者是小堆
        priorityQueue.offer(1);
        priorityQueue.offer(2);
        priorityQueue.offer(3);

        System.out.println(priorityQueue.poll()); // 1 ->默认是小堆
        System.out.println(priorityQueue.peek()); // 2
    }
}

问题：以上代码实现后发现

任何类型数据都可以存放
1号下标本身就是字符串，但是确编译报错。必须进行强制类型转换
虽然在这种情况下，当前数组任何数据都可以存放，但是，更多情况下，我们还是希望他只能够持有一种数据类型。而不是同时持有这么多类型。所以，泛型的主要目的：就是指定当前的容器，要持有什么类型的对象。让编译器去做检查。此时，就需要把类型，作为参数传递。需要什么类型，就传入什么类型。

二、泛型类的使用

1、语法

class 泛型类名称<类型形参列表> {
	// 这里可以使用类型参数
}
class ClassName<T1, T2, ..., Tn> {
}

class 泛型类名称<类型形参列表> extends 继承类/* 这里可以使用类型参数 */ {
// 这里可以使用类型参数
}
class ClassName<T1, T2, ..., Tn> extends ParentClass<T1> {
	// 可以只使用部分类型参数
}

了解：【规范】类型形参一般使用一个大写字母表示，常用的名称有：
E 表示 Element
K 表示 Key
V 表示 Value
N 表示 Number
T 表示 Type
S, U, V 等等 - 第二、第三、第四个类型
T[] array = (T[])new Object[10];是否就足够好，答案是未必的。这块问题一会儿介绍

2、改写上述代码

/**
 * @param <T> 此时代表当前类是一个泛型类，T:当做是一个占位符
 */
class MyArray<T> {
    //public T[] objects = new T[10]; // ERROR 1、不能实例化泛型类型的数组
    public T[] objects = (T[])new Object[10]; //也不可以

    public void set(int pos, T val) {
        objects[pos] = val;
    }

    public T get(int pos) {
        return objects[pos];
    }
}

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyArray<String> myArray = new MyArray<>();
        myArray.set(0, "bit");
        // myArray.set(1, 10); // err 1. 编译的时候，自动进行类型的检查
        String str = myArray.get(0); // 2. 不需要进行类型的强制转换。自动帮我们进行类型的转换
        MyArray<Integer> myArray2 = new MyArray<Integer>();
        // MyArray<int> myArray3 = new MyArray<int>(); // 3. 简单类型 基本类型 不能作为泛型类型的参数
    }

泛型是将数据类型参数化，进行传递
使用表示当前类是一个泛型类。
泛型只能接受类，所有的基本数据类型必须使用包装类
根据类型参数化，编译时自动进行类型检查和转换

三、泛型如何编译的）

3.1、擦除机制

通过命令：javap -c 查看字节码文件，所有的T都是Object
在这里插入图片描述

在编译的过程当中，将所有的T替换为Object这种机制，我们称为：擦除机制。
Java的泛型机制是在编译级别实现的。编译器生成的字节码在运行期间并不包含泛型的类型信息。
有关泛型擦除机制的文章截介绍：链接

3.2、为什么不能实例化泛型类型数组

class MyArray<T> {
    public T[] array = (T[])new Object[10];
    public T getPos(int pos) {
        return this.array[pos];
    }
    public void setVal(int pos,T val) {
        this.array[pos] = val;
    }
    public T[] getArray() {
        return array;
    }
}

public static void main(String[] args) {
    MyArray<Integer> myArray1 = new MyArray<>();
    Integer[] strings = myArray1.getArray(); // 编译器认为此时并不是很安全
}
/*
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: [Ljava.lang.Object; cannot be cast to [Ljava.lang.Integer;
at TestDemo.main(TestDemo.java:31)
*/

原因：替换后的方法为：将Object[]分配给Integer[]引用，程序报错

public Object[] getArray() {
	return array;
}

数组和泛型之间的一个重要区别是它们如何强制执行类型检查。具体来说，数组在运行时存储和检查类型信息。然而，泛型在编译时检查类型错误。

通俗讲就是：返回的Object数组里面，可能存放的是任何的数据类型，可能是String，可能是Person，运行的时候，直接转给Intefer类型的数组，编译器认为是不安全的。

正确的方式：【了解即可】通过反射创建，指定类型的数组

在这里插入图片描述

		ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<>();
        arrayList.add(1);
        arrayList.add(2);
        // Integer[] ret = arrayList.toArray(); // err
        Object[] ret2 = arrayList.toArray();

在这里插入图片描述

四、泛型的上界

在定义泛型类时，有时需要对传入的类型变量做一定的约束，可以通过类型边界来约束

1、Number

// E 可以是Number 或是Number的子类
public class MyArray<E extends Number> {
...
}

在这里插入图片描述

2、Comparable

// 写一个泛型类，求出数组当中的最大值
class Alg<T extends Comparable<T>> { // 传入的E必须是实现了这个接口的 特殊的上界
    public T findMax(T[] array) {
        T max = array[0];
        for (int i = 1; i < array.length; i++) {
            // 这里为什么会报错？？？？
            // 引用类型要用compareTo
            // if(max < array[i]) {
            if(max.compareTo(array[i]) < 0) {
                max = array[i];
            }
        }
        return max;
    }
}

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Alg<Integer> alg1 = new Alg<Integer>();
        Integer[] array = {1,12,3,4}; // 12
        System.out.println(alg1.findMax(array));

        Alg<String> alg2 = new Alg<>();
        String[] array2 = {"abc","hello","cdef"}; // hello
        System.out.println(alg2.findMax(array2));
    }
}

五、泛型方法

方法限定符 <类型形参列表> 返回值类型方法名称(形参列表) { … }

class Alg<T extends Comparable<T>> {
    public <T extends Comparable<T>> T findMax(T[] array) { // 指定返回值类型
        T max = array[0];
        for (int i = 1; i < array.length; i++) {
            if(max.compareTo(array[i]) < 0) {
                max = array[i];
            }
        }
        return max;
    }
}

public class Util {
    //静态的泛型方法 需要在static后用<>声明泛型类型参数
    public static <E> void swap(E[] array, int i, int j) {
        E t = array[i];
        array[i] = array[j];
        array[j] = t;
    }
}

class Alg2 {
	// 静态方法不依赖对象
    public static<T extends Comparable<T>> T findMax(T[] array) {
        T max = array[0];
        for (int i = 1; i < array.length; i++) {
            if(max.compareTo(array[i]) < 0) {
                max = array[i];
            }
        }
        return max;
    }
}

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Integer[] array = {1,12,3,4};
        System.out.println(Alg2.findMax(array)); // 可以通过array判断出类型
        System.out.println(Alg2.<Integer>findMax(array)); // 12
    }
}

六、泛型中的父子类关系

理论上说，Object 是所有类的父类

public class MyArrayList<E> { ... }
// MyArrayList<Object> 不是 MyArrayList<Number> 的父类型
// MyArrayList<Number> 也不是 MyArrayList<Integer> 的父类型

他们都被擦除了

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Alg<Integer> alg1 = new Alg<Integer>();
        System.out.println(alg1); // Alg@1b6d3586
        Alg<Integer> alg2 = new Alg<Integer>(); // Alg@4554617c
        System.out.println(alg2);
    }
}

七、通配符

? 用于在泛型的使用，即为通配符

7.1 通配符解决什么问题

通配符是用来解决泛型无法协变的问题的，协变指的就是如果 Student 是Person的子类，那么 List<Student> 也应该是List<Person> 的子类。但是泛型是不支持这样的父子类关系的

1、泛型 T 是确定的类型，一旦你传了我就定下来了，而通配符则更为灵活或者说是不确定，更多的是用于扩
充参数的范围.
2、或者我们可以这样理解：泛型T就像是个变量，等着你将来传一个具体的类型，而通配符则是一种规定，
规定你能传哪些参数。

class Alg3  {
	// 代码1的参数是T，此时的T一定是将来指定的一个泛型参数
    public static <T> void print1(ArrayList<T> list) {
        for (T x: list) {
            System.out.println(x);
        }
    }
	
	// 代码2中使用了统配符，和代码1相比，此时传入printList2的，具体是什么数据类型，我们是不清楚的。这就是通配符
    public static void print2(ArrayList<?> list) {
        for (Object x:list) {
            System.out.println(x);
        }
    }
}

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Integer> list1 = new ArrayList<>();
        list1.add(1);
        list1.add(2);
        Alg3.print2(list1); // 1 2
        Alg3.print2(list1); // 1 2
    }
}

7.2、通配符上界

语法：

<? extends 上界>
<? extends Number>//可以传入的实参类型是Number或者Number的子类

示例 1

// 可以传入类型实参是 Number 子类的任意类型的 MyArrayList
public static void printAll(MyArrayList<? extends Number> list) {
...
} 
// 以下调用都是正确的
printAll(new MyArrayList<Integer>());
printAll(new MyArrayList<Double>());
printAll(new MyArrayList<Number>());
// 以下调用是编译错误的
printAll(new MyArrayList<String>());
printAll(new MyArrayList<Object>());

示例2： 假设有如下关系

Animal
Cat extends Animal
Dog extends Animal

根据以上的关系，写一个方法，打印一个存储了Animal或者Animal子类的list
代码1：

public static void print(List<Animal> list) {
}

这样不可以解决问题，因为print的参数类型是List<Animal> list，就不能接收 List<Cat> list

代码2：

public static <T extends Animal> void print2(List<T> list) {
	for (T animal : list) {
		System.out.println(animal);
	}
}

此时T类型是Animal的子类或者自己。该方法可以实现

代码3： 通配符实现

该方法也可以达到效果

public static void print3(List<? extends Animal> list) {
	for (Animal ani : list) {
		System.out.println(ani);//调用谁的toString 方法？
		// 如果调用 cat 就是cat 的toString()
}

区别是什么？

1、对于泛型实现的print2方法， <T extends Animal> 对T进行了限制，只能是Animal的子类
比如：传入Cat，那么类型就是Cat

2、对于通配符实现的print3方法，首先不用再static后使用尖括号，其次相当于对Animal进行了规定，允许
你传入Animal 的子类。具体哪个子类，此时并不清楚
比如：传入了Cat，实际上声明的类型是Animal，使用多态才能调用Cat的toString方法

7.3、通配符的上界-父子类关系

// 需要使用通配符来确定父子类型
MyArrayList<? extends Number> 是 MyArrayList <Integer>或者 MyArrayList<Double>的父类类型
MyArrayList<?> 是 MyArrayList<? extends Number> 的父类型

7.4、通配符的上界-特点

是否可以对这个List进行写入？不能

通配符的上界适合读取数据不适合写入数据

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Integer> arrayList1 = new ArrayList<>();
        ArrayList<Double> arrayList2 = new ArrayList<>();
        List<? extends Number> list = arrayList1;

        // list.add(1,1); // 报错，此时list可以引用的子类对象有很多，
        // 再添加的时候，任何子类型都可以，编译器无法确定具体的类型，为了安全，只允许读取

        Number a = list.get(0); // 可以通过
        // Integer i = list.get(0); // 编译错误，只能确定是Number子类
    }
}

因为，list可以引用arrayList1，或者arrayList2。所以：

如果对list中添加数据的时候，报错！愿意很简单，list中存储的可能是Number也可能是Number的子类。此时添加任何类型的数据都不可以，无法确定到底是哪种类型。
Number a = list.get(0);可以通过，此时获取的元素肯定是Number的子类
但是不能这么写：Integer i = list.get(0);你怎么知道，获取的就是Integer呢？

7.5、通配符下界

语法：

<? super 下界>
<? super Integer>//代表 可以传入的实参的类型是Integer或者Integer的父类类型

示例

// 可以传入类型实参是 Integer 父类的任意类型的 MyArrayList
public static void printAll(MyArrayList<? super Integer> list) {
...
} 
// 以下调用都是正确的
printAll(new MyArrayList<Integer>());
printAll(new MyArrayList<Number>());
printAll(new MyArrayList<Object>());
// 以下调用是编译错误的
printAll(new MyArrayList<String>());
printAll(new MyArrayList<Double>());

7.6、通配符下界-父子类关系

MyArrayList<? super Integer> 是 MyArrayList<Integer>的父类类型
MyArrayList<?> 是 MyArrayList<? super Integer>的父类类型

7.7、通配符下界-特点

不能读取！

因为添加元素的时候，我们知道list引用的对象肯定是Person或者Person的父类的集合，我们能够确定此时存储的元素的最小粒度比Person小的都可以。但是，你读取的时候，你知道是读取到的是哪个子类吗？

class Person {
}
class Student extends Person {
}

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<? super Person> arrayList1 = new ArrayList<Person>();
        //ArrayList<? super Person> arrayList2 = new ArrayList<Student>(); // err
        
        arrayList1.add(new Person());
        arrayList1.add(new Student());//添加的元素 是person或者person的子类
        
        //Person person = arrayList2.get(0); // why????
        //Student student = arrayList1.get(0); // why????
        Object o = arrayList1.get(0); // 只能拿object获取
    }