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深入理解 Java 泛型

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为什么需要泛型

JDK5 引入了泛型机制

为什么需要泛型呢?回答这个问题前,先让我们来看一个示例。

public class NoGenericsDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList<>();
        list.add("abc");
        list.add(18);
        list.add(new double[] {1.0, 2.0});
        Object obj1 = list.get(0);
        Object obj2 = list.get(1);
        Object obj3 = list.get(2);
        System.out.println("obj1 = [" + obj1 + "]");
        System.out.println("obj2 = [" + obj2 + "]");
        System.out.println("obj3 = [" + obj3 + "]");

        int num1 = (int)list.get(0);
        int num2 = (int)list.get(1);
        int num3 = (int)list.get(2);
        System.out.println("num1 = [" + num1 + "]");
        System.out.println("num2 = [" + num2 + "]");
        System.out.println("num3 = [" + num3 + "]");
    }
}
// Output:
// obj1 = [abc]
// obj2 = [18]
// obj3 = [[D@47089e5f]
// Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: java.lang.String cannot be cast to java.lang.Integer
// at io.github.dunwu.javacore.generics.NoGenericsDemo.main(NoGenericsDemo.java:23)
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示例说明:

在上面的示例中,List 容器没有指定存储数据类型,这种情况下,可以向 List 添加任意类型数据,编译器不会做类型检查,而是默默的将所有数据都转为 Object

假设,最初我们希望向 List 存储的是整形数据,假设,某个家伙不小心存入了其他数据类型。当你试图从容器中取整形数据时,由于 List 当成 Object 类型来存储,你不得不使用类型强制转换。在运行时,才会发现 List 中数据不存储一致的问题,这就为程序运行带来了很大的风险(无形伤害最为致命)。

而泛型的出现,解决了类型安全问题。

泛型具有以下优点:

  • 编译时的强类型检查

泛型要求在声明时指定实际数据类型,Java 编译器在编译时会对泛型代码做强类型检查,并在代码违反类型安全时发出告警。早发现,早治理,把隐患扼杀于摇篮,在编译时发现并修复错误所付出的代价远比在运行时小。

  • 避免了类型转换

未使用泛型:

List list = new ArrayList();
list.add("hello");
String s = (String) list.get(0);
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使用泛型:

List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("hello");
String s = list.get(0);   // no cast
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  • 泛型编程可以实现通用算法

通过使用泛型,程序员可以实现通用算法,这些算法可以处理不同类型的集合,可以自定义,并且类型安全且易于阅读。

泛型类型

泛型类型是被参数化的类或接口。

泛型类

泛型类的语法形式:

class name<T1, T2, ..., Tn> { /* ... */ }
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泛型类的声明和非泛型类的声明类似,除了在类名后面添加了类型参数声明部分。由尖括号(<>)分隔的类型参数部分跟在类名后面。它指定类型参数(也称为类型变量)T1,T2,...和 Tn。

一般将泛型中的类名称为原型,而将 <> 指定的参数称为类型参数

  • 未应用泛型的类

在泛型出现之前,如果一个类想持有一个可以为任意类型的数据,只能使用 Object 做类型转换。示例如下:

public class Info {
	private Object value;

	public Object getValue() {
		return value;
	}

	public void setValue(Object value) {
		this.value = value;
	}
}
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  • 单类型参数的泛型类
public class Info<T> {
    private T value;

    public Info() { }

    public Info(T value) {
        this.value = value;
    }

    public T getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue(T value) {
        this.value = value;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Info{" + "value=" + value + '}';
    }
}

public class GenericsClassDemo01 {
    public static void main(String[] args) {
        Info<Integer> info = new Info<>();
        info.setValue(10);
        System.out.println(info.getValue());

        Info<String> info2 = new Info<>();
        info2.setValue("xyz");
        System.out.println(info2.getValue());
    }
}
// Output:
// 10
// xyz
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在上面的例子中,在初始化一个泛型类时,使用 <> 指定了内部具体类型,在编译时就会根据这个类型做强类型检查。

实际上,不使用 <> 指定内部具体类型,语法上也是支持的(不推荐这么做),如下所示:

public static void main(String[] args) {
    Info info = new Info();
    info.setValue(10);
    System.out.println(info.getValue());
    info.setValue("abc");
    System.out.println(info.getValue());
}
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示例说明:

上面的例子,不会产生编译错误,也能正常运行。但这样的调用就失去泛型类型的优势。

  • 多个类型参数的泛型类
public class MyMap<K,V> {
    private K key;
    private V value;

    public MyMap(K key, V value) {
        this.key = key;
        this.value = value;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "MyMap{" + "key=" + key + ", value=" + value + '}';
    }
}

public class GenericsClassDemo02 {
    public static void main(String[] args) {
        MyMap<Integer, String> map = new MyMap<>(1, "one");
        System.out.println(map);
    }
}
// Output:
// MyMap{key=1, value=one}
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  • 泛型类的类型嵌套
public class GenericsClassDemo03 {
    public static void main(String[] args) {
        Info<String> info = new Info("Hello");
        MyMap<Integer, Info<String>> map = new MyMap<>(1, info);
        System.out.println(map);
    }
}
// Output:
// MyMap{key=1, value=Info{value=Hello}}
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泛型接口

接口也可以声明泛型。

泛型接口语法形式:

public interface Content<T> {
    T text();
}
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泛型接口有两种实现方式:

  • 实现接口的子类明确声明泛型类型


public class GenericsInterfaceDemo01 implements Content<Integer> {
    private int text;

    public GenericsInterfaceDemo01(int text) {
        this.text = text;
    }

    @Override
    public Integer text() { return text; }

    public static void main(String[] args) {
        GenericsInterfaceDemo01 demo = new GenericsInterfaceDemo01(10);
        System.out.print(demo.text());
    }
}
// Output:
// 10
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  • 实现接口的子类不明确声明泛型类型
public class GenericsInterfaceDemo02<T> implements Content<T> {
    private T text;

    public GenericsInterfaceDemo02(T text) {
        this.text = text;
    }

    @Override
    public T text() { return text; }

    public static void main(String[] args) {
        GenericsInterfaceDemo02<String> gen = new GenericsInterfaceDemo02<>("ABC");
        System.out.print(gen.text());
    }
}
// Output:
// ABC
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泛型方法

泛型方法是引入其自己的类型参数的方法。泛型方法可以是普通方法、静态方法以及构造方法。

泛型方法语法形式如下:

public <T> T func(T obj) {}
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是否拥有泛型方法,与其所在的类是否是泛型没有关系。

泛型方法的语法包括一个类型参数列表,在尖括号内,它出现在方法的返回类型之前。对于静态泛型方法,类型参数部分必须出现在方法的返回类型之前。类型参数能被用来声明返回值类型,并且能作为泛型方法得到的实际类型参数的占位符。

使用泛型方法的时候,通常不必指明类型参数,因为编译器会为我们找出具体的类型。这称为类型参数推断(type argument inference)。类型推断只对赋值操作有效,其他时候并不起作用。如果将一个泛型方法调用的结果作为参数,传递给另一个方法,这时编译器并不会执行推断。编译器会认为:调用泛型方法后,其返回值被赋给一个 Object 类型的变量。

public class GenericsMethodDemo01 {
    public static <T> void printClass(T obj) {
        System.out.println(obj.getClass().toString());
    }

    public static void main(String[] args) {
        printClass("abc");
        printClass(10);
    }
}
// Output:
// class java.lang.String
// class java.lang.Integer
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泛型方法中也可以使用可变参数列表

public class GenericVarargsMethodDemo {
    public static <T> List<T> makeList(T... args) {
        List<T> result = new ArrayList<T>();
        Collections.addAll(result, args);
        return result;
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<String> ls = makeList("A");
        System.out.println(ls);
        ls = makeList("A", "B", "C");
        System.out.println(ls);
    }
}
// Output:
// [A]
// [A, B, C]
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类型擦除

Java 语言引入泛型是为了在编译时提供更严格的类型检查,并支持泛型编程。不同于 C++ 的模板机制,Java 泛型是使用类型擦除来实现的,使用泛型时,任何具体的类型信息都被擦除了

那么,类型擦除做了什么呢?它做了以下工作:

  • 把泛型中的所有类型参数替换为 Object,如果指定类型边界,则使用类型边界来替换。因此,生成的字节码仅包含普通的类,接口和方法。
  • 擦除出现的类型声明,即去掉 <> 的内容。比如 T get() 方法声明就变成了 Object get()List<String> 就变成了 List。如有必要,插入类型转换以保持类型安全。
  • 生成桥接方法以保留扩展泛型类型中的多态性。类型擦除确保不为参数化类型创建新类;因此,泛型不会产生运行时开销。

让我们来看一个示例:

public class GenericsErasureTypeDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<Object> list1 = new ArrayList<Object>();
        List<String> list2 = new ArrayList<String>();
        System.out.println(list1.getClass());
        System.out.println(list2.getClass());
    }
}
// Output:
// class java.util.ArrayList
// class java.util.ArrayList
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示例说明:

上面的例子中,虽然指定了不同的类型参数,但是 list1 和 list2 的类信息却是一样的。

这是因为:使用泛型时,任何具体的类型信息都被擦除了。这意味着:ArrayList<Object>ArrayList<String> 在运行时,JVM 将它们视为同一类型。

Java 泛型的实现方式不太优雅,但这是因为泛型是在 JDK5 时引入的,为了兼容老代码,必须在设计上做一定的折中。

泛型和继承

泛型不能用于显式地引用运行时类型的操作之中,例如:转型、instanceof 操作和 new 表达式。因为所有关于参数的类型信息都丢失了。当你在编写泛型代码时,必须时刻提醒自己,你只是看起来好像拥有有关参数的类型信息而已。

正是由于泛型时基于类型擦除实现的,所以,泛型类型无法向上转型

向上转型是指用子类实例去初始化父类,这是面向对象中多态的重要表现。

Integer 继承了 ObjectArrayList 继承了 List;但是 List<Interger> 却并非继承了 List<Object>

这是因为,泛型类并没有自己独有的 Class 类对象。比如:并不存在 List<Object>.class 或是 List<Interger>.class,Java 编译器会将二者都视为 List.class

List<Integer> list = new ArrayList<>();
List<Object> list2 = list; // Erorr
复制代码

类型边界

有时您可能希望限制可在参数化类型中用作类型参数的类型。类型边界可以对泛型的类型参数设置限制条件。例如,对数字进行操作的方法可能只想接受 Number 或其子类的实例。

要声明有界类型参数,请列出类型参数的名称,然后是 extends 关键字,后跟其限制类或接口。

类型边界的语法形式如下:

<T extends XXX>
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示例:

public class GenericsExtendsDemo01 {
    static <T extends Comparable<T>> T max(T x, T y, T z) {
        T max = x; // 假设x是初始最大值
        if (y.compareTo(max) > 0) {
            max = y; //y 更大
        }
        if (z.compareTo(max) > 0) {
            max = z; // 现在 z 更大
        }
        return max; // 返回最大对象
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(max(3, 4, 5));
        System.out.println(max(6.6, 8.8, 7.7));
        System.out.println(max("pear", "apple", "orange"));
    }
}
// Output:
// 5
// 8.8
// pear
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示例说明:

上面的示例声明了一个泛型方法,类型参数 T extends Comparable<T> 表明传入方法中的类型必须实现了 Comparable 接口。

类型边界可以设置多个,语法形式如下:

<T extends B1 & B2 & B3>
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注意:extends 关键字后面的第一个类型参数可以是类或接口,其他类型参数只能是接口。

示例:

public class GenericsExtendsDemo02 {
    static class A { /* ... */ }
    interface B { /* ... */ }
    interface C { /* ... */ }
    static class D1 <T extends A & B & C> { /* ... */ }
    static class D2 <T extends B & A & C> { /* ... */ } // 编译报错
    static class E extends A implements B, C { /* ... */ }

    public static void main(String[] args) {
        D1<E> demo1 = new D1<>();
        System.out.println(demo1.getClass().toString());
        D1<String> demo2 = new D1<>(); // 编译报错
    }
}
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类型通配符

类型通配符一般是使用 ? 代替具体的类型参数。例如 List<?> 在逻辑上是 List<String>List<Integer> 等所有 List<具体类型实参> 的父类。

上界通配符

可以使用**上界通配符**来缩小类型参数的类型范围。

它的语法形式为:<? extends Number>

public class GenericsUpperBoundedWildcardDemo {
    public static double sumOfList(List<? extends Number> list) {
        double s = 0.0;
        for (Number n : list) {
            s += n.doubleValue();
        }
        return s;
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> li = Arrays.asList(1, 2, 3);
        System.out.println("sum = " + sumOfList(li));
    }
}
// Output:
// sum = 6.0
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下界通配符

**下界通配符**将未知类型限制为该类型的特定类型或超类类型。

注意:上界通配符和下界通配符不能同时使用

它的语法形式为:<? super Number>

public class GenericsLowerBoundedWildcardDemo {
    public static void addNumbers(List<? super Integer> list) {
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            list.add(i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        addNumbers(list);
        System.out.println(Arrays.deepToString(list.toArray()));
    }
}
// Output:
// [1, 2, 3, 4, 5]
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无界通配符

无界通配符有两种应用场景:

  • 可以使用 Object 类中提供的功能来实现的方法。
  • 使用不依赖于类型参数的泛型类中的方法。

语法形式:<?>

public class GenericsUnboundedWildcardDemo {
    public static void printList(List<?> list) {
        for (Object elem : list) {
            System.out.print(elem + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> li = Arrays.asList(1, 2, 3);
        List<String> ls = Arrays.asList("one", "two", "three");
        printList(li);
        printList(ls);
    }
}
// Output:
// 1 2 3
// one two three
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通配符和向上转型

前面,我们提到:泛型不能向上转型。但是,我们可以通过使用通配符来向上转型

public class GenericsWildcardDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> intList = new ArrayList<>();
        List<Number> numList = intList;  // Error

        List<? extends Integer> intList2 = new ArrayList<>();
        List<? extends Number> numList2 = intList2;  // OK
    }
}
复制代码

扩展阅读:Oracle 泛型文档

泛型的约束

Pair<int, char> p = new Pair<>(8, 'a');  // 编译错误
复制代码
public static <E> void append(List<E> list) {
    E elem = new E();  // 编译错误
    list.add(elem);
}
复制代码
public class MobileDevice<T> {
    private static T os; // error

    // ...
}
复制代码
public static <E> void rtti(List<E> list) {
    if (list instanceof ArrayList<Integer>) {  // 编译错误
        // ...
    }
}
复制代码
List<Integer> li = new ArrayList<>();
List<Number>  ln = (List<Number>) li;  // 编译错误
复制代码
List<Integer>[] arrayOfLists = new List<Integer>[2];  // 编译错误
复制代码
// Extends Throwable indirectly
class MathException<T> extends Exception { /* ... */ }    // 编译错误

// Extends Throwable directly
class QueueFullException<T> extends Throwable { /* ... */ // 编译错误
复制代码
public static <T extends Exception, J> void execute(List<J> jobs) {
    try {
        for (J job : jobs)
            // ...
    } catch (T e) {   // compile-time error
        // ...
    }
}
复制代码
public class Example {
    public void print(Set<String> strSet) { }
    public void print(Set<Integer> intSet) { } // 编译错误
}
复制代码

泛型最佳实践

泛型命名

泛型一些约定俗成的命名:

  • E - Element
  • K - Key
  • N - Number
  • T - Type
  • V - Value
  • S,U,V etc. - 2nd, 3rd, 4th types

使用泛型的建议

  • 消除类型检查告警
  • List 优先于数组
  • 优先考虑使用泛型来提高代码通用性
  • 优先考虑泛型方法来限定泛型的范围
  • 利用有限制通配符来提升 API 的灵活性
  • 优先考虑类型安全的异构容器

小结

参考资料

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