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Java的泛型

凯哥java

共 13032字，需浏览 27分钟

 · 2021-06-16


使用Java的小伙伴，对于Java的一些高级特性一定再熟悉不过了，例如集合、反射、泛型、注解等等，这些可以说我们在平时开发中是经常使用到的，尤其是集合，基本是只要写代码没有用不到的，今天我们先来谈谈泛型。


1. 定义


在了解一个事物之前，我们必定要先知道他的定义，所以我们就从定义开始，去一步一步揭开泛型的神秘面纱。

# 泛型（generics）
    他是 JDK5 中引入的一个新特性，泛型提供了编译时类型安全监测机制，该机制允许我们在编译时检测到非法的类型数据结构。泛型的本质就是参数化类型，也就是所操作的数据类型被指定为一个参数
    
# 常见的泛型的类型表示
上面的 T 仅仅类似一个形参的作用，名字实际上是可以任意起的，但是我们写代码总该是要讲究可读性的。常见的参数通常有 :
    E - Element (在集合中使用，因为集合中存放的是元素)
    T - Type（表示Java 类，包括基本的类和我们自定义的类）
    K - Key（表示键，比如Map中的key）
    V - Value（表示值）
    ? - （表示不确定的java类型）
但是泛型的参数只能是类类型，不能是基本的数据类型，他的类型一定是自Object的

注意：泛型不接受基本数据类型，换句话说，只有引用类型才能作为泛型方法的实际参数


2. 为什么要使用泛型？


说到为什么要使用，那肯定是找一大堆能说服自己的优点啊。

# 泛型的引入，是java语言的来讲是一个较大的功能增强。同时对于编译器也带来了一定的增强，为了支持泛型，java的类库都做相应的修改以支持泛型的特性。
（科普：实际上java泛型并不是 jdk5（2004发布了jdk5） 才提出来的，早在1999年的时候，泛型机制就是java最早的规范之一）

另外，泛型还具有以下的优点：

# 1.提交了java的类型安全
    泛型在很大程度上来提高了java的程序安全。例如在没有泛型的情况下，很容易将字符串 123 转成 Integer 类型的 123 亦或者 Integer 转成 String，而这样的错误是在编译期无法检测。而使用泛型，则能很好的避免这样的情况发生。

# 2.不需要烦人的强制类型转换
    泛型之所以能够消除强制类型转换，那是因为程序员在开发的时候就已经明确了自己使用的具体类型，这不但提高了代码的可读性，同样增加了代码的健壮性。
    
# 提高了代码的重用性
    泛型的程序设计，意味着编写的代码可以被很多不同类型的对象所重用

在泛型规范正式发布之前，泛型的程序设计是通过继承来实现的，但是这样子有两个严重的问题：


① 取值的时候需要强制类型转换，否则拿到的都是 Object

② 编译期不会有错误检查

我们来看下这两个错误的产生


2.1 编译期不会有错误检查

public class DonCheckInCompile {
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        list.add("a");
        list.add(3);
        System.out.println(list);
    }
}

程序不但不会报错，还能正常输出


2.2 强制类型转换

public class DonCheckInCompile {
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        list.add("a");
        list.add(3);
        for (Object o : list) {
            System.out.println((String)o);
        }
    }
}


因为你并不知道实际集合中的元素到底是哪些类型的，所以在使用的时候也是不确定的，如果在强转的时候，那必然会带来意想不到的错误，这样潜在的问题就好像是定时炸弹，肯定是不允许发生的。所以这就更体现了泛型的重要性。


3. 泛型方法


在 java 中，泛型方法可以使用在成员方法、构造方法和静态方法中。语法如下：


public <申明泛型的类型> 类型参数 fun()；如 public <T> T fun(T t)；这里的 T 表示一个泛型类型，而 <T> 表示我们定义了一个类型为 T 的类型，这样的 T 类型就可以直接使用了，且<T> 需要放在方法的返回值类型之前。T 即在申明的时候是不知道具体的类型的，只有的使用的时候才能明确其类型，T 不是一个类，但是可以当作是一种类型来使用。


下面来通过具体的例子来解释说明，以下代码将数组中的指定的两个下标位置的元素进行交换（不要去关注实际的需求是什么），第一种 Integer 类型的数组

public class WildcardCharacter {
    public static void main(String[] args) {
        Integer[] arrInt = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
        change(arrInt, 0, 8);
        System.out.println("arr = " + Arrays.asList(arrInt));
    }

    /**
     * 将数组中的指定两个下标位置的元素交换
     *
     * @param arr         数组
     * @param firstIndex  第一个下标
     * @param secondIndex 第二个下标
     */
    private static void change(Integer[] arr, int firstIndex, int secondIndex) {
        int tmp = arr[firstIndex];
        arr[firstIndex] = arr[secondIndex];
        arr[secondIndex] = tmp;
    }
}


第二种是 String 类型的数组



编译直接都不会通过，那是必然的，因为方法定义的参数就是 Integer[] 结果你传一个 String[]，玩呢。。。所以这个时候只能是再定义一个参数类型是  String[]的。


那要是再来一个 Double 呢？Boolean 呢？是不是这就产生问题了，虽然说这种问题不是致命的，多写一些重复的代码就能解决，但这势必导致代码的冗余和维护成本的增加。所以这个时候泛型的作用就体现了，我们将其改成泛型的方式。

   /**
     * @param t           参数类型 T
     * @param firstIndex  第一个下标
     * @param secondIndex 第二个下标
     * @param <T>         表示定义了一个类型 为 T 的类型，否则没人知道 T 是什么，编译期也不知道
     */
    private static <T> void changeT(T[] t, int firstIndex, int secondIndex) {
        T tmp = t[firstIndex];
        t[firstIndex] = t[secondIndex];
        t[secondIndex] = tmp;
    }

接下来调用就简单了

 public static void main(String[] args) {
        //首先定义一个Integer类型的数组
        Integer[] arrInt = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
        //将第 1 个和第 9 个位置的元素进行交换
        changeT(arrInt, 0, 8);
        System.out.println("arrInt = " + Arrays.asList(arrInt));
        // 然后在定义一个String类型的数组
        String[] arrStr = {"a", "b", "c", "d", "e", "f", "g"};
        //将第 1 个和第 2 个位置的元素进行交换
        changeT(arrStr, 0, 1);
         System.out.println("arrStr = " + Arrays.asList(arrStr));
    }


问题迎刃而解，至于普通的泛型方法和静态的泛型方法是一样的使用，只不过是一个数据类一个属于类的实例的，在使用上区别不大（但是需要注意的是如果在泛型类中 静态泛型方法是不能使用类泛型中的泛型类型的，这个在下文的泛型类中会详细介绍的）。


最后在来看下构造方法

public class Father {
    public <T> Father(T t) {
    }
}

然后假设他有一个子类是这样子的

class Son extends Father {

    public <T> Son(T t) {
        super(t);
    }
}

这里强调一下，因为在 Father 类中是没有无参构造器的，取而代之的是一个有参的构造器，只不过这个构造方法是一个泛型的方法，那这样子的子类必然需要显示的指明构造器了。


  • 通过泛型方法获取集合中的元素测试

既然说泛型是在申明的时候类型不是重点，只要事情用的时候确定就可以下，那你看下面这个怎么解释？



此时想往集合中添加元素，却提示这样的错误，连编译都过不了。这是为什么？


因为此时集合 List<T> 的 add 方法，添加的类型为 T，但是很显然 T 是一个泛型，真正的类型是在使用时候才能确定的，但是 在 add 的并不能确定 T 的类型，所以根本就无法使用 add 方法，除非 list.add(null)，但是这却没有任何意义。


4. 泛型类


先来看一段这样的代码，里面的使用到了多个泛型的方法，无需关注方法到底做了什么

public class GenericClassTest{
    public static void main(String[] args) {
        //首先定义一个Integer类型的数组
        Integer[] arrInt = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
        //将第 1 个和第 9 个位置的元素进行交换

       new GenericClassTest().changeT(arrInt, 0, 8);
        System.out.println("arrInt = " + Arrays.asList(arrInt));

        List<String> list = Arrays.asList("a", "b");
        testIter(list);
    }

    /**
     * @param t           参数类型 T
     * @param firstIndex  第一个下标
     * @param secondIndex 第二个下标
     * @param <T>         表示定义了一个类型 为 T 的类型，否则没人知道 T 是什么，编译期也不知道
     */
    private <T> void changeT(T[] t, int firstIndex, int secondIndex) {
        T tmp = t[firstIndex];
        t[firstIndex] = t[secondIndex];
        t[secondIndex] = tmp;
    }

    /**
     * 遍历集合
     *
     * @param list 集合
     * @param <T>  表示定义了一个类型 为 T 的类型，否则没人知道 T 是什么，编译期也不知道
     */
    private static <T> void testIter(List<T> list) {
        for (T t : list) {
            System.out.println("t = " + t);
        }
    }
}

可以看到里面的 <T> 是不是每个方法都需要去申明一次，那要是 100 个方法呢？那是不是要申明 100 次的，这样时候泛型类也就应用而生了。那泛型类的形式是什么样子的呢？请看代码

public class GenericClazz<T>{
    //这就是一个最基本的泛型类的样子
}

下面我们将刚刚的代码优化如下，但是这里不得不说一个很基础，但是却很少有人注意到的问题，请看下面的截图中的文字描述部分。


# 为什么实例方法可以，而静态方法却报错？
1. 首先告诉你结论：静态方法不能使用类定义的泛型，而是应该单独定义泛型
2. 到这里估计很多小伙伴就瞬间明白了，因为静态方法是通过类直接调用的，而普通方法必须通过实例来调用，类在调用静态方法的时候，后面的泛型类还没有被创建，所以肯定不能这么去调用的

所以说这个泛型类中的静态方法直接这么写就可以啦

    /**
     * 遍历集合
     *
     * @param list 集合
     */
    private static <K> void testIter(List<K> list) {
        for (K t : list) {
            System.out.println("t = " + t);
        }
    }

  • 多个泛型类型同时使用

我们知道 Map 是键值对形式存在，所以如果对 Map 的 Key 和 Value 都使用泛型类型该怎么办？一样的使用，一个静态方法就可以搞定了，请看下面的代码

public class GenericMap {

    private static <K, V> void mapIter(Map<K, V> map) {
        for (Map.Entry<K, V> kvEntry : map.entrySet()) {
            K key = kvEntry.getKey();
            V value = kvEntry.getValue();
            System.out.println(key + ":" + value);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Map<String, String> mapStr = new HashMap<>();
        mapStr.put("a", "aa");
        mapStr.put("b", "bb");
        mapStr.put("c", "cc");
        mapIter(mapStr);
        System.out.println("======");
        Map<Integer, String> mapInteger = new HashMap<>();
        mapInteger.put(1, "11");
        mapInteger.put(2, "22");
        mapInteger.put(3, "33");
        mapIter(mapInteger);
    }
}


到此，泛型的常规的方法和泛型类已经介绍为了。


5. 通配符


通配符 ? 即占位符的意思，也就是在使用期间是无法确定其类型的，只有在将来实际使用时再指明类型，它有三种形式


  • <?> 无限定的通配符。是让泛型能够接受未知类型的数据

  • < ? extends E>有上限的通配符。能接受指定类及其子类类型的数据，E就是该泛型的上边界

  • <? super E>有下限的通配符。能接受指定类及其父类类型的数据,E就是该泛型的下边界


5.1 通配符之 <?>


上面刚刚说到了使用一个类型来表示反省类型是必须要申明的，也即 <T> ，那是不是不申明就不能使用泛型呢？当然不是，这小节介绍的 <?> 就是为了解决这个问题的。


<?> 表示，但是话又说话来了，那既然可以不去指明具体类型，那 ? 就不能表示一个具体的类型也就是说如果按照原来的方式这么去写，请看代码中的注释



而又因为任何类型都是 Object 的子类，所以，这里可以使用 Object 来接收，对于 ? 的具体使用会在下面两小节介绍



另外，大家要搞明白泛型和通配符不是一回事


5.2 通配符之 <? extend E>


<? extend E> 表示有上限的通配符，能接受其类型和其子类的类型 E 指上边界，还是写个例子来说明

public class GenericExtend {
    public static void main(String[] args) {
        List<Father> listF = new ArrayList<>();
        List<Son> listS = new ArrayList<>();
        List<Daughter> listD = new ArrayList<>();
        testExtend(listF);
        testExtend(listS);
        testExtend(listD);
    }

    private static <T> void testExtend(List<? extends Father> list) {}
}

class Father {}

class Daughter extends Father{}

class Son extends Father {    
}

这个时候一切都还是很和平的，因为大家都遵守着预定，反正 List 中的泛型要么是 Father 类，要么是 Father 的子类。但是这个时候如果这样子来写（具体原因已经在截图中写明了）




5.3 通配符之 <？super E>


<？super E> 表示有下限的通配符。也就说能接受指定类型及其父类类型，E 即泛型类型的下边界，直接上来代码然后来解释

public class GenericSuper {

    public static void main(String[] args) {
        List<Son> listS = new Stack<>();
        List<Father> listF = new Stack<>();
        List<GrandFather> listG = new Stack<>();
        testSuper(listS);
        testSuper(listF);
        testSuper(listG);
        
    }
    private static void testSuper(List<? super Son> list){}
}
class Son extends Father{}
class Father extends GrandFather{}
class GrandFather{}

因为 List<? super Son> list 接受的类型只能是 Son 或者是 Son 的父类，而 Father 和 GrandFather 又都是 Son 的父类，所以以上程序是没有任何问题的，但是如果再来一个类是 Son 的子类（如果不是和 Son 有关联的类那更不行了），那结果会怎么样？看下图，相关重点已经在图中详细说明



好了，其实泛型说到这里基本就差不多了，我们平时开发能遇到的问题和不常遇见的问题本文都基本讲解到了。最后我们再来一起看看泛型的另一个特性：泛型擦除。


6. 泛型擦除


先来看下泛型擦除的定义

# 泛型擦除
	因为泛型的信息只存在于 java 的编译阶段，编译期编译完带有 java 泛型的程序后，其生成的 class 文件中与泛型相关的信息会被擦除掉，以此来保证程序运行的效率并不会受影响，也就说泛型类型在 jvm 中和普通类是一样的。

别急，知道你看完概念肯定还是不明白什么叫泛型擦除，举个例子

public class GenericWipe {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> listStr = new ArrayList<>();
        List<Integer> listInt = new ArrayList<>();
        List<Double> listDou = new ArrayList<>();

        System.out.println(listStr.getClass());
        System.out.println(listInt.getClass());
        System.out.println(listDou.getClass());

    }
}



这也就是说 java 泛型在生成字节码以后是根本不存在泛型类型的，甚至是在编译期就会被抹去，说来说去好像并没有将泛型擦除说的很透彻，下面我们就以例子的方式来一步一步证明


  • 通过反射验证编译期泛型类型被擦除

class Demo1 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        //到这里是没有任何问题的，正常的一个 集合类的添加元素
        list.add(1024);
        list.forEach(System.out::println);
        System.out.println("-------通过反射证明泛型类型编译期间被擦除-------");
        //反射看不明白的小伙伴不要急，如果想看反射的文章，请留言反射，我下期保证完成
        list.getClass().getMethod("add", Object.class).invoke(list, "9527");
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println("value = " + list.get(i));
        }
    }
}



打印结果如下：



但是直接同一个反射似乎并不能让小伙伴们买账，我们为了体验差异，继续写一个例子

class Demo1 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //List<E>  实际上就是一个泛型，所以我们就不去自己另外写泛型类来测试了
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        //到这里是没有任何问题的，正常的一个 集合类的添加元素
        list.add(1024);
        list.forEach(System.out::println);
        System.out.println("-------通过反射证明泛型类型编译期间被擦除-------");
        list.getClass().getMethod("add", Object.class).invoke(list, "9527");
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println("value = " + list.get(i));
        }

        //普通的类
        FanShe fanShe = new FanShe();
        //先通过正常的方式为属性设置值
        fanShe.setStr(1111);
        System.out.println(fanShe.getStr());
        //然后通过同样的方式为属性设置值 不要忘记上面的List  是 List<E> 是泛型哦！不要连最基本的知识都忘记了
        fanShe.getClass().getMethod("setStr", Object.class).invoke(list, "2222");
        System.out.println(fanShe.getStr());
    }
}
//随便写一个类
class FanShe{
    private Integer str;
    public void setStr(Integer str) {
        this.str = str;
    }

    public Integer getStr() {
        return str;
    }
}


测试结果显而易见，不是泛型的类型是不能通过反射去修改类型赋值的。


  • 由于泛型擦除带来的自动类型转换


因为泛型的类型擦除问题，导致所有的泛型类型变量被编译后都会被替换为原始类型。既然都被替换为原始类型，那么为什么我们在获取的时候，为什么不需要强制类型转换？



下面这么些才是一个标准的带有泛型返回值的方法。

public class TypeConvert {
    public static void main(String[] args) {

        //调用方法的时候返回值就是我们实际传的泛型的类型
        MyClazz1 myClazz1 = testTypeConvert(MyClazz1.class);
        MyClazz2 myClazz2 = testTypeConvert(MyClazz2.class);
    }
    private static <T> T testTypeConvert(Class<T> tClass){
        //只需要将返回值类型转成实际的泛型类型 T 即可
        return (T) tClass;
    }
}

class MyClazz1{}
class MyClazz2{}


  • 由泛型引发的数组问题

名字怪吓人的，实际上说白了就是不能创建泛型数组



看下面的代码



为什么不能创建泛型类型的数组？


因为List<Integer> 和 List<String> 被编译后在 JVM 中等同于List<Object> ，所有的类型信息在编译后都等同于List<Object>，也就是说编译器此时也是无法区分数组中的具体类型是 Integer类型还是 String 。


但是，使用通配符却是可以的，我上文还特意强调过一句话：泛型和通配符不是一回事。请看代码



那这又是为什么？? 表示未知的类型，他的操作不涉及任何的类型相关的东西，所以 JVM 是不会对其进行类型判断的，因此它能编译通过，但是这种方式只能读不能写，也即只能使用 get 方法，无法使用 add 方法。

为什么不能 add ？<?> 提供了只读的功能，也就是它删减了增加具体类型元素的能力，只保留与具体类型无关的功能。它不管装载在这个容器内的元素是什么类型，它只关心元素的数量、容器是否为空，另外上面也已经解释过为什么不能 add 的，这里就当做一个补充。


好了，关于泛型知识，今天就聊到这里，感谢大家的支持！


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