[移动开发]深入浅出Java泛型

泛型

泛型初印象

? 说起泛型，第一感觉是，这个东西我记得老师讲过，但我不记得老师讲了啥。再认真思索一下，好像是有个<T>, <?>，但它们是什么含义，怎么使用，全然不知。

? 当我提起泛型时，被问了下面几个问题。

什么是泛型？

泛型，即**“参数化类型”**。参数对我们而言很熟悉：定义方法时需要形参，调用方法时传递实参。通常我们使用的参数类型是具体的，而“参数化类型”就是将具体的参数类型也定义为参数的形式，使用时传入具体的类型。

我的代码里会用到泛型吗？

泛型虽然听上去不是很熟悉，但实际上，我们每天都会使用， 例如：

ArrayList是我们很常用的泛型类。

我们实现的函数入参会使用泛型吗？

虽然不常使用，但也会，例如：

public abstract <P extends ItemExportBaseParam, E extends BaseItemExcelBO> List<E> queryToExportExcelObjects(P param, Class<E> excelBOClass);
?

为什么使用泛型

? 在Java中，Object是所有类的父类，可以用来表示任意类型。在Java1.5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，降低了代码的安全性和可读性。

? 例如，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。代码如下：

public void test1(){
        List arrayList = new ArrayList();
        arrayList.add("test");
        arrayList.add(100);

        for(int i = 0; i< arrayList.size();i++){
            String item = (String)arrayList.get(i);
            System.out.println("泛型 item = " + item);
        }
    }

该代码的运行结果如下：

? ArrayList可以聚集任何类型的对象（Object），因此String和Integer都可以添加。但在运行时进行类型转换的时候，就会出现类型转换错误。为了让问题更早地暴露并被解决，泛型提供了类型参数的解决方案。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，使程序具有更好的可读性和安全性。

? 例如，ArrayList类使用一个类型参数来指定元素的类型，代码如下：

public void test2(){
    List<String> arrayList = new ArrayList<>();
    arrayList.add("test");
    arrayList.add(100);//编译报错
}

? 这种用法指定了List中包含的元素应该为String对象，在后续对其进行add操作的时候，编译器就会检查add方法的参数是否为String类型，如果不是，编译器就能报错，避免了错误类型对象的插入。因此，这段代码无法通过编译，在idea中，这行代码会被标红：

? 同时，使用类型参数后，进行get操作时，不需要进行强制类型转换，编译器就知道返回值应该为String类型，代码如下：

public void test3(){
    List<String> arrayList = new ArrayList<>();
    arrayList.add("test");
    arrayList.add("testtest");

    for(int i = 0; i< arrayList.size();i++){
        //String item = (String)arrayList.get(i);
        //无需强制类型转换
        String item = arrayList.get(i);
        System.out.println("泛型 item = " + item);
    }
}

? 类似ArrayList这种使用泛型的方法，是泛型最简单，也是最广泛的用法。但真正实现一个泛型类没有那么简单，需要程序员能够预测出所用类的未来可能有的所有用途。

泛型类

? 一个泛型类 （ generic class ) 就是具有一个或多个类型变量的类。泛型类型用于类的定义中。通过泛型可以完成对一组类的操作对外开放相同的接口，也就是说，泛型类可看作普通类的工厂。最典型的就是各种容器类，如：List、Set、Map。

? 泛型类最基本的写法如下（在类名后添加类型参数）：

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;
        .....

        }
}

? 定义一个简单的泛型类，代码如下：

//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，可以指定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) {
        this.key = key;
    }

    public T getKey() {
        return key;
    }
}

指定类型

? 在实例化泛型类的时候，指定类型，代码如下：

public void test1() {
    //传入的实参类型需与泛型的类型参数类型相同，即为Integer.
    Generic<Integer> genericInteger = new Generic(123456);
    //传入的实参类型需与泛型的类型参数类型相同，即为String.
    Generic<String> genericString = new Generic("key_vlaue");
    System.out.println("key is " + genericInteger.getKey());
    System.out.println("key is " + genericString.getKey());
}

? 运行结果：

key is 123456
key is key_vlaue

指定泛型的类型参数必须是类类型，例如上面的Integer、String或其他自定义类，不能是简单类型，例如int。使用int编译器会报错，如下：

不指定类型

? 在实例化泛型类的时候，也可以不指定类型，代码如下：

public void test2(){
    Generic generic = new Generic("111111");
    Generic generic1 = new Generic(4444);
    Generic generic2 = new Generic(55.55);
    Generic generic3 = new Generic(false);

    System.out.println("key is " + generic.getKey());
    System.out.println("key is " + generic1.getKey());
    System.out.println("key is " + generic2.getKey());
    System.out.println("key is " + generic3.getKey());
}

? 运行结果如下：

key is 111111
key is 4444
key is 55.55
key is false

泛型接口

? 和泛型类一样，泛型接口在接口名后添加类型参数，比如以下 Generator<T>，接口声明类型后，接口方法就可以直接使用这个类型。代码如下：

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

? 类似的，当一个类实现泛型接口的时候，可以指定类型，也可以不指定类型。

指定类型

? 实现泛型接口的类，可以传入泛型实参，代码如下：

public class GeneratorClass implements Generator<String> {

    @Override
    public String next() {
        return null;
    }
}

在实现类实现泛型接口时，如果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。

不指定类型

? 实现泛型接口的类，不传入具体的类型，代码如下：

public class GeneratorClass<T> implements Generator<T> {

    @Override
    public T next() {
        return null;
    }
}

? 也可以不传<T>，代码如下：

public class GeneratorClass implements Generator {

    @Override
    public Object next() {
        return null;
    }
}

? 可以看到，此时默认的类型时Object类型，但这种用法失去了泛型接口的意义。

泛型方法

? 泛型方法是指使用泛型的方法，如果它所在的类是一个泛型类，那就直接使用类声明的参数，例如前面泛型类中的方法。而如果一个方法所在的类不是泛型类，或者它想要处理不同于泛型类声明类型的数据，那就需要自己声明类型。

? 泛型方法的基本语法格式如下：

/**
 * 泛型方法
 * @param <T> 声明该方法将使用类型T（也可以理解为声明该方法为泛型方法）
 * @param t 泛型T代表的类的对象（参数也可以是其他类型，比如List<T>）
 * @return T 该方法返回值类型为T（也可以是其他类型，比如void）
 */
public <T> T genericMethod(T t){
    return t;
}

? 调用方式如下：

public void test3(){
        String str = genericMethod("test");
        // 自动拆装箱
        int i = genericMethod(666);
        boolean b = genericMethod(false);
        System.out.println(str);
        System.out.println(i);
        System.out.println(b);
}

? 运行结果如下：

test
666
false

有的博客认为只有声明了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。不太赞同。

? 下面哪些方法是泛型方法：

1. 代码如下：

   // 这个类是个泛型类
   public class Generic<T>{
       private T key;
   
       public Generic(T key) {
           this.key = key;
       }
       /**
        * yes
        * 在声明泛型类已经声明过的泛型T,所以该方法中可以直接使用T
        */
       public T getKey(){
           return key;
       }
       /**
        * no
        * 编译器会给我们提示这样的错误信息"cannot reslove symbol E"
        * 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 = key;
        }
   }
   

2. 代码如下：

   /**
    * yes
    * <T>声明了T之后，这个T可以出现在这个泛型方法的任意位置.
    */
   public <T> T showKeyName(GenericTemp<T> container){
       System.out.println("container key :" + container.getKey());
       T test = container.getKey();
       return test;
   }
   
   /**
    * no
    * 这是一个普通方法，使用了Generic<Number>这个泛型类做形参
    */
   public void showKeyValue1(Generic<Number> obj){
       System.out.println("container key :" + obj.getKey());
   }
   
   /**
    * yes
    * 泛型的数量也可以为任意多个，
    * 可以使用extends关键字给泛型添加限定
    */
   public <T extends Comparable & Serializable, K extends List> K showKeyName(Generic<T> container){
       K result = (K) new ArrayList();
       return result;
   }
   

泛型特性

1、类型擦除

首先可以看一个小例子，代码如下：

public void test1(){
    ArrayList<String> stringArrayList = new ArrayList();
    ArrayList<Integer> integerArrayList = new ArrayList();

    Class classStringArrayList = stringArrayList.getClass();
    Class classIntegerArrayList = integerArrayList.getClass();

    System.out.println(classStringArrayList.equals(classIntegerArrayList));
}

? 运行结果如下：

true

? 在上面的例子中，尽管ArrayList<String>和ArrayList<Integer>看上去是不同的类型，但它们在运行时是相同的类型。这两种类型都被擦除成它们的“原生”类型，即ArrayList。

? 事实上，泛型类型只有在静态类型检查期间才出现，在此之后，程序中的所有泛型类型都将被擦除，替换成它们非泛型上界。

规则：如果给定限定类型，则用第一个限定的类型变量来替换 ， 如果没有给定限定就用 Object 替换

? 例如，类HasF中有一个f()方法，代码如下：

public class HasF {
    public void f(){
        System.out.println("Hello, this is HasF:f()");
    }
}

? 类Manipulator是一个泛型类，想要在它的方法中调用f()方法，代码如下：

public class Manipulator<T> {
    private T obj;
    public Manipulator(T x) {
        obj = x;
    }
    public void manipulate() {
        obj.f();// 编译错误
    }
}

? 很明显，这个时候会出现编译错误：

? 编译器告诉我们T没有方法f()。因为对T没有做任何类型限定，根据前面的规则，会使用Object来替换，Object没有方法f()，所以编译器报错。使用Object类其他方法是可以的：

? 如果想要调用方法f()，应该怎么做呢？可以利用给定限定类型的规则，代码如下：

// 限定T为HasF的子类
public class Manipulator<T extends HasF> {
    private T obj;
    public Manipulator(T x) {
        obj = x;
    }
    public void manipulate() {
        obj.f();
    }
}

? 这个时候根据前面的规则，会使用HasF来替换T，编译通过，可以简单测试一下，代码如下：

public void test2(){
    // 可以是HasF的任意子类
    HasF hf = new HasF();
    Manipulator<HasF> manipulator = new Manipulator(hf);
    manipulator.manipulate();
}

? 运行结果如下：

Hello, this is HasF:f()

允许多个限定，使用第一个限定类型替换，例如：

class Generic<T extends ClassA & ClassB>

这个时候，会使用ClassA 来替换T

2、类型转换

? 前面提到过，使用泛型可以避免进行显式的类型强制转换，但这并不是不需要进行类型转换了，只是从显式的类型转换，变为隐式的类型转换，即编译器自动插入强制类型转换。例如：

GenericHolder<String> holder = new GenericHolder<>();
holder.set("Item");
String s = holder.get();

? holder.get()方法返回的结果仍然是Object类型，而不是String类型，编译器会自动加入String的强制类型转换，即对于holder.get()，编译器将其翻译为两条指令：

1. 对原始方法holder.get()的调用。
2. 将返回的Object类型强制转换为String类型。

? 可以看一个对比例子。非泛型写法，需要显式类型转换，代码如下：

public class SimpleHolder {
    private Object obj;
    public void set(Object obj) { this.obj = obj; }
    public Object get() { return obj; }
    public static void main(String[] args) {
        SimpleHolder holder = new SimpleHolder();
        holder.set("Item");
        // 显式类型转换
        String string = (String)holder.get();
    }
}

? 泛型写法，不需要显式类型转换，代码如下：

public class GenericHolder<T> {
    private T obj;
    public void set(T obj) { this.obj = obj; }
    public T get() { return obj; }
    public static void main(String[] args) {
        GenericHolder<String> holder = new GenericHolder<>();
        holder.set("Item");
        // 隐式类型转换
        String s = holder.get();
    }
}

? 它们生成部分的字节码如下：


? 可以看到，它们生成的字节码是一样的，即使使用了泛型，编译器也会进行类型转换。

3、泛型类型的继承规则

? Ingeter是Number的一个子类，那么Generic<Number>和Generic<Ingeter>是否可以看成具有父子关系的泛型类型呢？
? 可以看一个小例子，代码如下：

public void showKeyValue(Generic<Number> obj){
        System.out.println("key value is " + obj.getKey());
}
@Test
public void test5(){
    Generic<Integer> gInteger = new Generic<Integer>(123);
    Generic<Number> gNumber = new Generic<Number>(456);
    showKeyValue(gNumber); // ok
    showKeyValue(gInteger); // error
}

?
? 可见Generic<Integer>不能被看作为Generic<Number>的子类，两者之间没有关系。

? 如果showKeyValue方法就是需要传入Number类型的泛型呢？抛开方法的通用性，或许可以试试方法重载。代码如下：

public void showKeyValue(Generic<Number> obj){
    System.out.println("key value is " + obj.getKey());
}
public void showKeyValue(Generic<Integer> obj){
    System.out.println("key value is " + obj.getKey());
}

? 这个时候编译器会报错，如下：

? 从这个报错信息中可以看到，这两个方法在类型擦除之后，本质上是一个方法，并不是预期的重载方法。

? 那如何解决这个问题呢？这个时候可以使用通配符类型。

通配符类型

? 对于上面的例子，可以在showKeyValue方法中使用通配符?，代码如下：

// 使用通配符 ?
public void showKeyValue(Generic<?> obj){
    System.out.println("key value is " + obj.getKey());
}
@Test
public void test5(){
    Generic<Integer> gInteger = new Generic<Integer>(123);
    Generic<Number> gNumber = new Generic<Number>(456);
    showKeyValue(gNumber); // ok
    showKeyValue(gInteger); // ok
}

? 运行结果如下：

key value is 456
key value is 123

? 在这里，?是一个类型实参，而不是类型形参。也就是说，它和Number，Integer一样，都是一种实际的类型。当具体类型不确定，且不需要使用类型的具体功能，只使用Object类中的功能时，可以用 ? 通配符来表未知类型。

? 通配符一般有三种使用方法：

无边界通配符

? 采用 <?> 的形式，比如 List<?>，无边界的通配符的主要作用就是让泛型能够接受未知类型的数据。

? 前面的小例子就是无边际通配符的使用示例。

固定上边界的通配符

? 使用固定上边界的通配符的泛型，就能够接受指定类及其子类类型的数据。要声明使用该类通配符，采用 <? extends E> 的形式，这里的 E 就是该泛型的上边界。

这里虽然用的是 extends 关键字，却不仅限于继承了父类 E 的子类，也可以代指实现了接口 E 的类。前面的用法也是如此。

? 示例代码如下：

// 使用通配符固定上边界的通配符
public void showKeyValue(Generic<? extends Number> obj){
    System.out.println("key value is " + obj.getKey());
}
@Test
public void test5(){
    Generic<Integer> gInteger = new Generic<Integer>(123);
    Generic<Number> gNumber = new Generic<Number>(456);
    Generic<String> gString = new Generic<>("lala");
    showKeyValue(gNumber); // ok，包括Number自身
    showKeyValue(gInteger); // ok，包括Number子类
    showKeyValue(gString); // error，String不是Number的子类
}

? 这里改成Generic<? extends Object>（其实等价于Generic<?>）,可以解决编译报错。

固定下边界的通配符

? 使用固定下边界的通配符的泛型，就能够接受指定类及其父类类型的数据。要声明使用该类通配符，采用 <? super E> 的形式，这里的 E 就是该泛型的下边界。

可以为一个泛型指定上边界或下边界，但是不能同时指定上下边界。

? 示例代码如下：

// 使用通配符固定下边界的通配符
public void showKeyValue(Generic<? super Number> obj){
    System.out.println("key value is " + obj.getKey());
}
@Test
public void test5(){
    Generic<Integer> gInteger = new Generic<Integer>(123);
    Generic<Number> gNumber = new Generic<Number>(456);
    Generic<String> gString = new Generic<>("lala");
    Generic<Object> gObject = new Generic<>(new HasF());
    showKeyValue(gNumber); // ok
    showKeyValue(gObject); // ok
    showKeyValue(gInteger); // error
    showKeyValue(gString); // error
}

泛型总结

泛型优点

1、类型安全

• 泛型的主要目标是提高 Java 程序的类型安全
• 编译时期就可以检查出因 Java 类型不正确导致的 ClassCastException 异常
• 符合越早出错代价越小原则

2、消除强制类型转换

• 泛型的一个附带好处是，使用时直接得到目标类型，消除许多强制类型转换
• 所得即所需，这使得代码更加可读，并且减少了出错机会

3、潜在的性能收益

• 由于泛型的实现方式，支持泛型（几乎）不需要 JVM 或类文件更改
• 所有工作都在编译器中完成
• 编译器生成的代码跟不使用泛型（和强制类型转换）时所写的代码几乎一致，只是更能确保类型安全而已

既然泛型有这么多优点，那为什么除了常用的集合之外，泛型并没有被特别广泛地使用呢？下面介绍几个使用Java泛型是需要考虑的一些限制，大多数限制都是由类型擦除引起的。

约束和局限

（1）不能用类型参数代替基本类型。

? 比如可以使用Generic<Integer>，但不能使用Generic<int>。因为类型擦除后，会使用Object类替换，Object类不能存储int。

（2）运行时类型查询只适用于原始类型

? 对于泛型类Generic<T>，所有的类型查询只适用于原始类型Generic，下面的用法会出现编译错误：

? 正确用法如下：

public static void f(Object arg) {
    if (arg instanceof Generic) {
        System.out.println("yes:"+((Generic<?>) arg).getKey());
    }else {
        System.out.println("no:"+arg.toString());
    }
}

@Test
public void test3(){
    Generic<String> s1 = new Generic<>("s1");
    f(s1);
    String s2 = "s2";
    f(s2);
}

? 运行结果如下：

yes:s1
no:s2

（3）不能创建参数化类型的数组

? 在Java中，数组只能存储创建时的元素类型。例如：

public void test4(){
    HasF[] hasFS = new HasF[10];
    hasFS[0] = new HasF();
    hasFS[1] = new HasF2(); // HasF的子类可以
    hasFS[2] = new Object(); // 其他类型不行
}

? 这段代码编译无法通过，如下：

? 然后可以看一个“不能实例化参数化类型的数组”的小例子，如下：

? 为什么呢？前面说过类型擦除的问题，假如允许创建这种数组的话，Generic<String>会被替换为Generic，那我们向该数组中添加Generic<Double>类型的对象会变得合理，但此时，Generic<String>数组里就存储了Generic<Double>元素，这是不对的。

? 因此，不允许创建参数化的泛型数组，是为了保护数组的安全性。但下述写法是可以的：

public void test4(){
    Generic[] arr = new Generic[10];
    arr[0] = new Generic<String>("a");
    arr[1] = new Generic<Integer>(111);
    arr[3] = new Generic(new HasF());
    Generic<?>[] arr2 = new Generic<?>[10];
    arr2[0] = new Generic("a");
    arr2[1] = new Generic(111);
    arr2[3] = new Generic(new HasF());
}

（4）泛型类的静态上下文中类型变量无效

? 静态方法无法访问类上定义的泛型，例如：

? 如果静态方法操作的引用数据类型不确定的时候，必须要将泛型定义在方法上，例如：

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) {
        this.key = key;
    }

    public T getKey() {
        return key;
    }
    /*
    // 这里报错
    public static void show(T key){
        System.out.println(key.toString());
    }*/
    // 将方法定义为一个泛型方法
    public static <T> void show(T t){
        System.out.println(t.toString());
    }
}

这里只是举几个例子，Java泛型还有很多其他的约束。更多参考《Java核心技术 卷I》

总结

? 正如前面所说，对泛型最简单的使用就是仅仅使用像ArrayList这样的集合，无需关心它们的工作方式和原因。我们对泛型的使用通常是停留在这个阶段。

? 尽管泛型有很多优点，但真正要实现一个泛型类并非易事。当把不同的泛型类混合在一起时，或是在与“对类型参数一无所知的遗留代码”进行衔接时，可能会看到含糊不清的错误消息。这种情况下，不能猜测，需要深入学习Java泛型来系统地解决这些问题。

? 因此对于实现一个泛型类，我们的期望可能是：使用类型参数，内置很多可能使用的类，然后在没有过多的限制以及混乱的错误消息的状态下，实现我们所有的功能。所以程序员在做泛型程序设计的时候，需要能够预测出所有类的未来可能有的所有用途，这要求程序员深入理解泛型，并且对业务有比较强的抽象能力。

参考：

《Java核心技术 卷I》

Java泛型详解

深入理解Java泛型

Java泛型-类型擦除

Java不能创建参数化类型的泛型数组

Java 泛型中通配符详解

浅谈Java泛型

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