Java基础 - 泛型详解

2022-03-24 09:55:06 @GhostFace

泛型

什么是泛型？

来自博客

Java泛型这个特性是从JDK 1.5才开始加入的，因此为了兼容之前的版本，Java泛型的实现采取了“伪泛型”的策略，即Java在语法上支持泛型，但是在编译阶段会进行所谓的“类型擦除”（Type Erasure），将所有的泛型表示（尖括号中的内容）都替换为具体的类型（其对应的原生态类型），就像完全没有泛型一样。

 泛型提供了编译时类型安全检测机制，该机制允许程序员在编译时检测到非法的类型。泛型的本质是参数化类型，也就是说所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。

常用的通配符为： T，E，K，V，？

• ？ 表示不确定的 Java 类型
• T (type) 表示具体的一个 Java 类型
• K V (key value) 分别代表 Java 键值中的 Key Value
• E (element) 代表 Element

总结

1. 泛型是JDK1.5加入的，兼容其他版本，采取“伪泛型”策略，即在编译阶段会进行所谓的“类型擦除”；
2. 泛型提供了编译时类型安全检测机制，即在编译时检测到非法的类型，所操作的数据类型被指定为一个参数；
3. 参数类型可以用在类、接口和方法中，称为泛型类、泛型接口、泛型方法。

为什么引入泛型？

理由

• 适用于多种数据类型执行相同的代码（代码复用）

例子

private static int add(int a, int b) {
    System.out.println(a + "+" + b + "=" + (a + b));
    return a + b;
}

private static float add(float a, float b) {
    System.out.println(a + "+" + b + "=" + (a + b));
    return a + b;
}

private static double add(double a, double b) {
    System.out.println(a + "+" + b + "=" + (a + b));
    return a + b;
}

加入泛型

private static <T extends Number> double add(T a, T b) {
    System.out.println(a + "+" + b + "=" + (a.doubleValue() + b.doubleValue()));
    return a.doubleValue() + b.doubleValue();
}

• 泛型中的类型在使用时指定，不需要强制类型转换（类型安全，编译器会检查类型）

例子

List list = new ArrayList();
list.add("xxString");
list.add(100d);
list.add(new Person());

list中的元素都是Object类型（无法约束其中的类型），所以在取出集合元素时需要人为的强制类型转化到具体的目标类型，且很容易出现java.lang.ClassCastException异常。

加入泛型

List<Integer> list = new ArrayList<>();

list.add(12);
//这里直接添加会报错
list.add("a");

泛型的基本使用

泛型类

简单的泛型类

class Point<T>{         // 此处可以随便写标识符号，T是type的简称  
    private T var ;     // var的类型由T指定，即：由外部指定  
    public T getVar(){  // 返回值的类型由外部决定  
        return var ;  
    }  
    public void setVar(T var){  // 设置的类型也由外部决定  
        this.var = var ;  
    }  
}  
public class GenericsDemo06{  
    public static void main(String args[]){  
        Point<String> p = new Point<String>() ;     // 里面的var类型为String类型  
        p.setVar("it") ;                            // 设置字符串  
        System.out.println(p.getVar().length()) ;   // 取得字符串的长度  
    }  
}

多元泛型

class Notepad<K,V>{       // 此处指定了两个泛型类型  
    private K key ;     // 此变量的类型由外部决定  
    private V value ;   // 此变量的类型由外部决定  
    public K getKey(){  
        return this.key ;  
    }  
    public V getValue(){  
        return this.value ;  
    }  
    public void setKey(K key){  
        this.key = key ;  
    }  
    public void setValue(V value){  
        this.value = value ;  
    }  
} 
public class GenericsDemo09{  
    public static void main(String args[]){  
        Notepad<String,Integer> t = null ;        // 定义两个泛型类型的对象  
        t = new Notepad<String,Integer>() ;       // 里面的key为String，value为Integer  
        t.setKey("汤姆") ;        // 设置第一个内容  
        t.setValue(20) ;            // 设置第二个内容  
        System.out.print("姓名；" + t.getKey()) ;      // 取得信息  
        System.out.print("，年龄；" + t.getValue()) ;       // 取得信息  
  
    }  
}

泛型接口

泛型接口

interface Info<T>{        // 在接口上定义泛型  
    public T getVar() ; // 定义抽象方法，抽象方法的返回值就是泛型类型  
}  
class InfoImpl<T> implements Info<T>{   // 定义泛型接口的子类  
    private T var ;             // 定义属性  
    public InfoImpl(T var){     // 通过构造方法设置属性内容  
        this.setVar(var) ;    
    }  
    public void setVar(T var){  
        this.var = var ;  
    }  
    public T getVar(){  
        return this.var ;  
    }  
} 
public class GenericsDemo24{  
    public static void main(String arsg[]){  
        Info<String> i = null;        // 声明接口对象  
        i = new InfoImpl<String>("汤姆") ;  // 通过子类实例化对象  
        System.out.println("内容：" + i.getVar()) ;  
    }  
}

泛型方法

定义泛型方法的语法格式

调用泛型方法语法格式

说明一下，定义泛型方法时，必须在返回值前边加一个<T>，来声明这是一个泛型方法，持有一个泛型T，然后才可以用泛型T作为方法的返回值。

Class<T>的作用就是指明泛型的具体类型，而Class<T>类型的变量c，可以用来创建泛型类的对象。

为什么要用变量c来创建对象呢？既然是泛型方法，就代表着我们不知道具体的类型是什么，也不知道构造方法如何，因此没有办法去new一个对象，但可以利用变量c的newInstance方法去创建对象，也就是利用反射创建对象。

泛型方法要求的参数是Class<T>类型，而Class.forName()方法的返回值也是Class<T>，因此可以用Class.forName()作为参数。其中，forName()方法中的参数是何种类型，返回的Class<T>就是何种类型。在本例中，forName()方法中传入的是User类的完整路径，因此返回的是Class<User>类型的对象，因此调用泛型方法时，变量c的类型就是Class<User>，因此泛型方法中的泛型T就被指明为User，因此变量obj的类型为User。

当然，泛型方法不是仅仅可以有一个参数Class<T>，可以根据需要添加其他参数。

为什么要使用泛型方法呢？

因为泛型类要在实例化的时候就指明类型，如果想换一种类型，不得不重新new一次，可能不够灵活；而泛型方法可以在调用的时候指明类型，更加灵活。

泛型的上下限

例子

class A{}
class B extends A {}

// 如下两个方法不会报错
public static void funA(A a) {
    // ...          
}
public static void funB(B b) {
    funA(b);
    // ...             
}

// 如下funD方法会报错
public static void funC(List<A> listA) {
    // ...          
}
public static void funD(List<B> listB) {
    funC(listB); // Unresolved compilation problem: The method doPrint(List<A>) in the type test is not applicable for the arguments (List<B>)
    // ...             
}

那么如何解决呢？

为了解决泛型中隐含的转换问题，Java泛型加入了类型参数的上下边界机制。<? extends A>表示该类型参数可以是A(上边界)或者A的子类类型。编译时擦除到类型A，即用A类型代替类型参数。这种方法可以解决开始遇到的问题，编译器知道类型参数的范围，如果传入的实例类型B是在这个范围内的话允许转换，这时只要一次类型转换就可以了，运行时会把对象当做A的实例看待。

加入上下边界机制后

public static void funC(List<? extends A> listA) {
    // ...          
}
public static void funD(List<B> listB) {
    funC(listB); // OK
    // ...             
}

上限

public static void main(String[] args) {
        Person<Integer> p1 = new Person<>();
        p1.setVal(99);
        Person<Double> p2 = new Person<>();
        p2.setVal(3.14);
        Person<String> p3 = new Person<>();
        p3.setVal("007");
        show(p1);//√
        show(p2);//√
        show(p3);//×
}

public static void show(Person<? extends Number> p){//此处限定了Person的参数类型只能是Number或者是其子类，而String并不属于Number。
    System.out.println(p.getVal());
}

下限

public static void main(String[] args) {
    Person<Integer> p1 = new Person<>();
    p1.setVal(99);//Integer
    Person<Double> p2 = new Person<>();
    p2.setVal(3.14);//Double
    Person<String> p3 = new Person<>();
    p3.setVal("007");//String
    Person<Object> p4 = new Person<>();
    p4.setVal(new Object());//Object

    show(p1);//×
    show(p2);//×
    show(p3);//√
    show(p4);//√
}

public static void show(Person<? super String> p){
    System.out.println(p.getVal());
}

小结

<?>无限制通配符
<? extends E> extends关键字声明了类型的上界，表示参数化的类型可能是所指定的类型，或者是此类型的子类
<? super E> super关键字声明了类型的下界，表示参数化的类型可能是指定的类型，或者是此类型的父类

使用原则《Effictive Java》

为了获得最大限度的灵活性，要在表示 生产者或者消费者 的输入参数上使用通配符，使用的规则就是：生产者有上限、消费者有下限

1. 如果参数化类型表示一个 T 的生产者，使用 < ? extends T>;
2. 如果它表示一个 T 的消费者，就使用 < ? super T>；
3. 如果既是生产又是消费，那使用通配符就没什么意义了，因为你需要的是精确的参数类型。

实例

实际例子

private  <E extends Comparable<? super E>> E max(List<? extends E> e1) {
    if (e1 == null){
        return null;
    }
    //迭代器返回的元素属于 E 的某个子类型
    Iterator<? extends E> iterator = e1.iterator();
    E result = iterator.next();
    while (iterator.hasNext()){
        E next = iterator.next();
        if (next.compareTo(result) > 0){
            result = next;
        }
    }
    return result;
}

上述代码中的类型参数 E 的范围是<E extends Comparable<? super E>>，我们可以分步查看：

• 要进行比较，所以 E 需要是可比较的类，因此需要 extends Comparable<…>（注意这里不要和继承的 extends 搞混了，不一样）

• Comparable< ? super E> 要对 E 进行比较，即 E 的消费者，所以需要用 super

• 而参数 List< ? extends E> 表示要操作的数据是 E 的子类的列表，指定上限，这样容器才够大

• 多个限制

使用 & 符号

public class Client {
    //工资低于2500元的上斑族并且站立的乘客车票打8折
    public static <T extends Staff & Passenger> void discount(T t){
        if(t.getSalary()<2500 && t.isStanding()){
            System.out.println("恭喜你！您的车票打八折！");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        discount(new Me());
    }
}

泛型数组

测试

List<String>[] list11 = new ArrayList<String>[10]; //编译错误，非法创建 
List<String>[] list12 = new ArrayList<?>[10]; //编译错误，需要强转类型 
List<String>[] list13 = (List<String>[]) new ArrayList<?>[10]; //OK，但是会有警告 
List<?>[] list14 = new ArrayList<String>[10]; //编译错误，非法创建 
List<?>[] list15 = new ArrayList<?>[10]; //OK 
List<String>[] list6 = new ArrayList[10]; //OK，但是会有警告

使用场景

public class GenericsDemo30{  
    public static void main(String args[]){  
        Integer i[] = fun1(1,2,3,4,5,6) ;   // 返回泛型数组  
        fun2(i) ;  
    }  
    public static <T> T[] fun1(T...arg){  // 接收可变参数  
        return arg ;            // 返回泛型数组  
    }  
    public static <T> void fun2(T param[]){   // 输出  
        System.out.print("接收泛型数组：") ;  
        for(T t:param){  
            System.out.print(t + "、") ;  
        }  
    }  
}

合理使用

public ArrayWithTypeToken(Class<T> type, int size) {
    array = (T[]) Array.newInstance(type, size);
}

深入理解泛型

如何理解Java中的泛型是伪泛型？泛型中类型擦除？

Java泛型这个特性是从JDK 1.5才开始加入的，因此为了兼容之前的版本，Java泛型的实现采取了“伪泛型”的策略，即Java在语法上支持泛型，但是在编译阶段会进行所谓的“类型擦除”（Type Erasure），将所有的泛型表示（尖括号中的内容）都替换为具体的类型（其对应的原生态类型），就像完全没有泛型一样。

泛型的类型擦除原则

• 消除类型参数声明，即删除<>及其包围的部分。
• 根据类型参数的上下界推断并替换所有的类型参数为原生态类型：如果类型参数是无限制通配符或没有上下界限定则替换为Object，如果存在上下界限定则根据子类替换原则取类型参数的最左边限定类型（即父类）。
• 为了保证类型安全，必要时插入强制类型转换代码。
• 自动产生“桥接方法”以保证擦除类型后的代码仍然具有泛型的“多态性”。

那么如何进行擦除的呢？

• 擦除类定义中的类型参数 - 无限制类型擦除

当类定义中的类型参数没有任何限制时，在类型擦除中直接被替换为Object，即形如<T>和<?>的类型参数都被替换为Object。

• 擦除类定义中的类型参数 - 有限制类型擦除

当类定义中的类型参数存在限制（上下界）时，在类型擦除中替换为类型参数的上界或者下界，比如形如<T extends Number>和<? extends Number>的类型参数被替换为Number，<? super Number>被替换为Object。

• 擦除方法定义中的类型参数

擦除方法定义中的类型参数原则和擦除类定义中的类型参数是一样的，这里仅以擦除方法定义中的有限制类型参数为例。

如何证明类型的擦除呢？

例子1

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list1 = new ArrayList<String>();
        list1.add("abc");

        ArrayList<Integer> list2 = new ArrayList<Integer>();
        list2.add(123);

        System.out.println(list1.getClass() == list2.getClass()); // true
    }
}

在这个例子中，我们定义了两个ArrayList数组，不过一个是ArrayList<String>泛型类型的，只能存储字符串；一个是ArrayList<Integer>泛型类型的，只能存储整数，最后，我们通过list1对象和list2对象的getClass()方法获取他们的类的信息，最后发现结果为true。说明泛型类型String和Integer都被擦除掉了，只剩下原始类型。

例2 通过反射

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
        list.add(1);  //这样调用 add 方法只能存储整形，因为泛型类型的实例为 Integer

        list.getClass().getMethod("add", Object.class).invoke(list, "asd");

        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }
    }

}

在程序中定义了一个ArrayList泛型类型实例化为Integer对象，如果直接调用add()方法，那么只能存储整数数据，不过当我们利用反射调用add()方法的时候，却可以存储字符串，这说明了Integer泛型实例在编译之后被擦除掉了，只保留了原始类型。

泛型常见面试题

1. Java中的泛型是什么 ? 使用泛型的好处是什么?

• 泛型是JDK1.5加入的，兼容其他版本，采取“伪泛型”策略，即在编译阶段会进行所谓的“类型擦除”；
• 泛型提供了编译时类型安全检测机制，即在编译时检测到非法的类型，所操作的数据类型被指定为一个参数；
• 参数类型可以用在类、接口和方法中，称为泛型类、泛型接口、泛型方法。

2. Java的泛型是如何工作的 ? 什么是类型擦除 ?

可以从泛型是什么引入，泛型可以用于泛型接口、方法、类，也可以规定泛型的上下限。

　　这是一道更好的泛型面试题。泛型是通过类型擦除来实现的，编译器在编译时擦除了所有类型相关的信息，所以在运行时不存在任何类型相关的信息。例如List<String>在运行时仅用一个List来表示。这样做的目的，是确保能和Java 5之前的版本开发二进制类库进行兼容。你无法在运行时访问到类型参数，因为编译器已经把泛型类型转换成了原始类型。根据你对这个泛型问题的回答情况，你会得到一些后续提问，比如为什么泛型是由类型擦除来实现的或者让你展示一些会导致编译器出错的错误泛型代码。

3. 什么是泛型中的限定通配符和非限定通配符 ?

　　这是另一个非常流行的Java泛型面试题。限定通配符对类型进行了限制。有两种限定通配符，一种是<? extends T>它通过确保类型必须是T的子类来设定类型的上界，另一种是<? super T>它通过确保类型必须是T的父类来设定类型的下界。泛型类型必须用限定内的类型来进行初始化，否则会导致编译错误。另一方面<?>表示了非限定通配符，因为<?>可以用任意类型来替代。更多信息请参阅我的文章泛型中限定通配符和非限定通配符之间的区别。

4. List<? extends T>和List <? super T>之间有什么区别 ?

　　这和上一个面试题有联系，有时面试官会用这个问题来评估你对泛型的理解，而不是直接问你什么是限定通配符和非限定通配符。这两个List的声明都是限定通配符的例子，List<? extends T>可以接受任何继承自T的类型的List，而List<? super T>可以接受任何T的父类构成的List。例如List<? extends Number>可以接受List<Integer>或List<Float>。在本段出现的连接中可以找到更多信息。

5. 如何编写一个泛型方法，让它能接受泛型参数并返回泛型类型?

　　编写泛型方法并不困难，你需要用泛型类型来替代原始类型，比如使用T, E or K,V等被广泛认可的类型占位符。泛型方法的例子请参阅Java集合类框架。最简单的情况下，一个泛型方法可能会像这样

查看代码

public V put(K key, V value) {
    return cache.put(key, value);
}

6. Java中如何使用泛型编写带有参数的类?

　　这是上一道面试题的延伸。面试官可能会要求你用泛型编写一个类型安全的类，而不是编写一个泛型方法。关键仍然是使用泛型类型来代替原始类型，而且要使用JDK中采用的标准占位符。

7. 编写一段泛型程序来实现LRU缓存?

　　对于喜欢Java编程的人来说这相当于是一次练习。给你个提示，LinkedHashMap可以用来实现固定大小的LRU缓存，当LRU缓存已经满了的时候，它会把最老的键值对移出缓存。LinkedHashMap提供了一个称为removeEldestEntry()的方法，该方法会被put()和putAll()调用来删除最老的键值对。当然，如果你已经编写了一个可运行的JUnit测试，你也可以随意编写你自己的实现代码。

8. 你可以把List<String>传递给一个接受List<Object>参数的方法吗？

　　对任何一个不太熟悉泛型的人来说，这个Java泛型题目看起来令人疑惑，因为乍看起来String是一种Object，所以List<String>应当可以用在需要List<Object>的地方，但是事实并非如此。真这样做的话会导致编译错误。如果你再深一步考虑，你会发现Java这样做是有意义的，因为List<Object>可以存储任何类型的对象包括String, Integer等等，而List<String>却只能用来存储Strings。　

       List<Object> objectList;
       List<String> stringList;
       objectList = stringList;  //compilation error incompatible types

9. Array中可以用泛型吗?

　　这可能是Java泛型面试题中最简单的一个了，当然前提是你要知道Array事实上并不支持泛型，这也是为什么Joshua Bloch在Effective Java一书中建议使用List来代替Array，因为List可以提供编译期的类型安全保证，而Array却不能。

10. 如何阻止Java中的类型未检查的警告?

　　如果你把泛型和原始类型混合起来使用，例如下列代码，Java 5的javac编译器会产生类型未检查的警告，例如List<String> rawList = new ArrayList()

引用

JavaGuide

@pdai

泛型方法图片来源