如何正确使用Java泛型

前言

　　Java 1.5之前是没有泛型的，以前从集合中读取每个对象都必须先进行转换，如果不小心存入集合中对象类型是错的，运行过程中转换处理会报错。有了泛型之后编译器会自动帮助转换，使程序更加安全，但是要正确使用泛型才能取得事半功倍的效果。

　　本文主要从不要使用原生类型，泛型方法，限制通配符，类型安全的异构容器四个部分来说明如何正确使用Java泛型。主要参考资料《Effective Java》（PDF电子版，有需要的朋友可以私信评论）

 

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一、不要使用原生态类型

1. 什么是原生态类型？

　　原生态类型（Raw type），即不带任何实际类型参数的泛型名称。如与List<E>对应的原生态类型List。不推荐List list = new ArrayList()这样的方式，主要就会丢掉安全性（为什么不安全呢？具体请往下看），应使用List<MyClass> list = new ArrayList()明确类型。或者使用List<Object>（那么List与List<Object>有啥区别呢？具体可以看泛型的子类型规则部分）

2. 为什么不推荐使用原生态类型？

当我们使用原生态类型List创建一个集合，并往其中放入Stamp类与Coin类，并迭代循环获取List集合中的元素。

public class RawType_Class {

    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList<>();
        list.add(new Stamp());
        list.add(new Coin());
        for (Iterator i = list.iterator(); i.hasNext();) {
            Stamp stamp = i.next();
        }
    }

}

此时必须使用Cast强转，否则编译会报错，在编译期报错对于开发者来说是我们最希望看到的。

但是我们根据提示，增加Cast，好了编译是不会报错了，但是运行时期会报错！ Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: ，这就对我们开发者来说大大增加了难度。

public class RawType_Class {

    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList<>();
        list.add(new Stamp());
        list.add(new Coin());
        for (Iterator i = list.iterator(); i.hasNext();) {
            Stamp stamp = (Stamp) i.next();
        }
    }

}

由此可见，原生类型是不推荐使用，是不安全的！

问1：那为什么Java还要允许使用原生态类型呢？

是为了提升兼容性，Java1.5之前已经存在很多的原生态类型的代码，那么为了让代码保持合法，并且能够兼容新代码，因此Java才对原生态类型支持！

问2：那我们使用List<Object>是不是就可以了呢，两个有啥区别呢？

两者都可以插入任意类型的对象。不严格来说，前者原生态类型List逃避了泛型检查，后者参数化类型List<Object>明确告诉编译器能够持有任意类型的对象。但是两个的区别主要是泛型存在子类型规则，具体请往下看

3. 泛型的子类型规则

子类型规则，即任何参数化的类型是原生态类型的一个子类型，比如List<String>是原生态类型List的一个子类型，而不是参数化List<Object>的子类型。

由于子类型规则的存在，我们可以将List<String>传递给List类型的参数

public static void main(String[] args) {
　　List<String> strings = new ArrayList<>();
   unsafeAdd(strings, new Integer(1));
   String s = strings.get(0);
}
private static void unsafeAdd(List list, Object o){
　　list.add(o);
}

虽然编译器是没有报错的，但是编译过程会出现以下提示，表明编写了某种不安全的未受检的操作

但是我们不能将List<String>传递给List<Object>类型参数

public static void main(String[] args) {
　　List<String> strings = new ArrayList<>();
   unsafeAdd(strings, new Integer(1));
   String s = strings.get(0);
}
private static void unsafeAdd(List<Object> list, Object o){
　　list.add(o);
}

编译后就直接报错，事实上编译器就会自动提示有错误

4. 无限制的通配符类型

　　使用原生态类型是很危险的，但是如果不确定或不关心实际的类型参数，那么在Java 1.5之后Java有一种安全的替换方法，称之为无限制的通配符类型（unbounded wildcard type），可以用一个“?”代替，比如Set<?>表示某个类型的集合，可以持有任何集合。

　　那么无限制通配类型与原生态类型有啥区别呢？原生态类型是可以插入任何类型的元素，但是无限制通配类型的话，不能添加任何元素（null除外）。

　　

　　问：那么这样的通配符类型有意义吗？因为你并不知道它到底能加入啥样的元素，但是又美其名曰“无限制”。

不能说没有意义，因为它的出现归根结底是为了防止破坏集合类型约束条件，并且可以根据需要使用泛型方法或者有限制的通配符类型（bound wildcard type）接口某些限制，提高安全性。

 

5. 泛型的可擦除性

我们先看一下代码，看看结果：

public static void main(String[] args) {
    List<String> l1 = new ArrayList<String>();
    List<Integer> l2 = new ArrayList<Integer>();
    //  输出为true，擦除后的类型为List
    System.out.println(l1.getClass() == l2.getClass());

}

结果为true，这是因为：泛型信息可以在运行时被擦除，泛型在编译期有效，在运行期被删除，也就是说所有泛型参数类型在编译后都会被清除掉。归根结底不管泛型被参数具体化成什么类型，其class都是RawType.class，比如List.class，而不是List<String>.class或List<Integer>.class

事实上，在类文字中必须使用原生态类型，不准使用参数化类型（虽然允许使用数组类型和基本类型），也就是List.class、String[].class和int.class都是合法的，而List<String>.class和List<?>.class不合法

 

二、泛型方法

1、基本概念

 　　之前说过，如果直接使用原生态类型编译过程会有警告，运行过程可能会报异常，是非常不安全的一种方式。

private static Set union(Set s1, Set s2){
        Set result = new HashSet();
        result.add(s2);
        return result;
    }

　　如果是在方法中使用，为了修正这些警告，使方法变成类型安全的，可以为方法声明一个类型参数。

 private static <E> Set<E> union(Set<E> s1, Set<E> s2){
        Set result = new HashSet();
        result.add(s2);
        return result;
    }

　　static后面的<E>就是方法的类型参数，这样的话三个集合的类型（两个输入参数与一个返回值）必须全部相同。这样的泛型方法不需要明确指定类型参数的值，而是通过判断参数的类型计算类型参数的值，对于参数Set<String>而言，编译器自然知道返回的类型参数E也是String，这就是所谓的类型推导（type inference）

2、泛型单例工厂

　　有时候我们需要创建不可变但又适合许多不同类型的对象。之前的单例模式满足不可变，但不适合不同类型对象，这次我们可以利用泛型做到这点。

/**
 * apply方法接收与返回某个类型T的值
 * @param <T>
 */
public interface UnaryFunction<T> {
    T apply(T arg);
}

　　现在我们需要一个恒等函数（Identity function，f(x)=x，简单理解输入等于返回的函数，会返回未被修改的参数），如果每次需要的时候都要重新创建一个，这样就会很浪费，如果泛型被具体化了，每个类型都需要一个恒等函数，但是它们被擦除后，就只需要一个泛型单例。

 　　/**
     * 返回未被修改的参数arg
     */
    private static UnaryFunction<Object> IDENTITY_FUNCTION = (Object arg) -> {
        return arg;
    };

    /**
     * 泛型方法identityFunction：
     *      返回类型：UnaryFunction<T>
     *      类型参数列表；<T>
     * 忽略强制转换未受检查的警告：
     * 因为返回未被修改的参数arg，所以我们知道无论T的值是什么，都是类型安全的
     * @param <T>
     * @return
     */
    @SuppressWarnings("unchacked")
    public static <T> UnaryFunction<T> identityFunction(){
        return (UnaryFunction<T>) IDENTITY_FUNCTION;
    }

利用泛型单例编写测试，下面代码不会报任何的警告或错误。

public static void main(String[] args) {
        String[] strings = {"hello","world"};
        UnaryFunction<String> sameString = identityFunction();
        for (String s: strings) {
            System.out.println(sameString.apply(s));
        }
        Number[] numbers = {1,2.0};
        UnaryFunction<Number> sameNumber = identityFunction();
        for (Number n: numbers) {
            System.out.println(sameNumber.apply(n));
        }
        UnaryFunction<Stamp> sameAnotherString = identityFunction();
        System.out.println(sameAnotherString.apply(new Stamp()));
    }

 返回的都是未被修改的参数

 

3. 递归类型限制

递归类型限制（recursive type bound）：通过某个包含该类型本身的表达式来限制类型参数，最普遍的就是与Comparable一起使用。比如<T extends Comparable<T>>

public interface Comparable<T> {    
    public int compareTo(T o);
}

类型参数T定义的类型，可以与实现Comparable<T>的类型进行比较，实际上，几乎所有类型都只能与它们自身类型的元素相比较，比如String实现Comparable<String>，Integer实现Comparable<Integer>

实现compareTo方法

String之间可以相互使用compareTo比较：

String s1 = "a";
String s2 = "b";
s1.compareTo(s2);

通常为了对列表进行排序，并在其中进行搜索，计算出它的最小值或最大值等，就要求列表中的每个元素都能够与列表中每个其它元素能进行比较，换句话说，列表的元素可以互相比较。往往就需要实现Comparable接口的元素列表。

/**
 * @author jian
 * @date 2019/4/1
 * @description 递归类型限制
 */
public class Recursive_Type_Bound {

    /**
     * 递归类型限制（recursive type bound）
     * <T extends Comparable<T>>表示可以与自身进行比较的每个类型T，即实现Comparable<T>接口的类型都可以与自身进行比较，可以查看String、Integer源码
     * <T extends Comparable<T>>类型参数，表示传入max方法的参数必须实现Comparable<T>接口，才能使用compareTo方法
     * @param list
     * @param <T>
     * @return
     */
    public static <T extends Comparable<T>> T max(List<T> list) {
        Iterator<T> iterator = list.iterator();
        T result = iterator.next();
        while (iterator.hasNext()) {
            T t = iterator.next();
            if (t.compareTo(result) > 0) {
                result = t;
            }
        }
        return result;
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = Arrays.asList("1","2");
        System.out.println(max(list));
    }
}

 

三、有限制的通配符类型

之前提到过的无限制的通配符类型就提到过，无限制的通配符单纯只使用"?"（如Set<?>），而有限制的通配符往往有如下形式，通过有限制的通配符类型可以大大提升API的灵活性。

　　（1）E的某种超类集合(接口)：Collection<? super E>、Interface<? super E>、

　　（2）E的某个子类集合(接口)：Collection<? extends E>、Interface<? extends E>

问1：那么什么时候使用extends关键字，什么什么使用super关键字呢？

有这样一个PECS(producer-extends, consumer-super)原则：如果参数化类型表示一个T生产者，就使用<? extends T>，如果表示消费者就是<? super T>。可以这样助记

问2：什么是生产者，什么是消费者

1）生产者：产生T不能消费T，针对collection，对每一项元素操作时，此时这个集合时生产者（生产元素），使用Collection<? extends T>。只能读取，不能写入

2）消费者：不能生产T，只消费使用T，针对collection，添加元素collection中，此时集合消费元素，使用Collection<? super T>，只能添加T的子类及自身，用Object接收读取到的元素

举例说明：生产者

1）你不能在List<? extends Number>中add操作，因为你增加Integer可能会指向List<Double>，你增加Double可能会指向Integer。根本不能确保列表中最终保存的是什么类型。换句话说Number的所有子类从类关系上来说都是平级的，毫无联系的。并不能依赖类型推导（类型转换），编译器是无法确实的实际类型的！

 

2）但是你可以读取其中的元素，并保证读取出来的一定是Number的子类（包括Number），编译并不会报错，换句话说编译器知道里面的元素都是Number的子类，不管是Integer还是Double，编译器都可以向下转型

举例说明：消费者

 1）编译器不知道存入列表中的Number的超类具体是哪一个，只能使用Object去接收

2）但是只可以添加Interger及其子类（因为Integer子类也是Integer，向上转型），不能添加Object、Number。因为插入Number对象可以指向List<Integer>对象，你插入Object，因为可能会指向List<Ineger>对象

 

 

注意：Comparable/Comparator都是消费者，通常使用Comparator<? Super T>），可以将上述的max方法进行改造：

 public static <T extends Comparable<? super T>> T max(List<? extends T> list) {
        Iterator<? extends T> iterator = list.iterator();
        T result = iterator.next();
        while (iterator.hasNext()) {
            T t = iterator.next();
            if (t.compareTo(result) > 0) {
                result = t;
            }
        }
        return result;
    }

 

四、类型安全的异构容器

　　泛型一般用于集合，如Set和Map等，这些容器都是被参数化了（类型已经被具体化了，参数个数已被固定）的容器，只能限制每个容器只能固定数目的类型参数，比如Set只能一个类型参数，表示它的元素类型，Map有两个参数，表示它的键与值。

　　但是有时候你会需要更多的灵活性，比如关系数据库中可以有任意多的列，如果以类型的方式所有列就好了。有一种方法可以实现，那就是使用将键进行参数化而不是容器参数化，然后将参数化的键提交给容器，来插入或获取值，用泛型来确保值的类型与它的键相符。

　　我们实现一个Favorite类，可以通过Class类型来获取相应的value值，键可以是不同的Class类型（键Class<?>参数化，而不是Map<?>容器参数化）。利用Class.cast方法将键与键值的类型对应起来，不会出现  favorites.putFavorite(Integer.class, "Java") 这样的情况。

/**
 * @author jian
 * @date 2019/4/1
 * @description 类型安全的异构容器
 */
public class Favorites {

    private Map<Class<?>, Object> favorites = new HashMap<>();

    public <T> void putFavorite(Class<T> type, T instance){
        if (type == null) {
            throw new NullPointerException("Type is null");
        }
        favorites.put(type, type.cast(instance));
    }

    public <T> T getFavorite(Class<T> type){
        return type.cast(favorites.get(type));
    }

}

　　Favorites实例是类型安全（typesafe）的，你请求String时，不会返回给你Integer，同时也是异构（heterogeneous）的，不像普通map，它的键都可以是不同类型的。因此，我们将Favorites称之为类型安全的异构容器（typesafe heterogeneous container）。

 public static void main(String[] args) {
        Favorites favorites = new Favorites();
        favorites.putFavorite(String.class, "Java");
        favorites.putFavorite(Integer.class, 64);
        favorites.putFavorite(Class.class, Favorites.class);
        String favoriteString = favorites.getFavorite(String.class);
        Integer favoriteInteger = favorites.getFavorite(Integer.class);
        Class<?> favoriteClass = favorites.getFavorite(Class.class);
　　　　　// 输出 Java 40 Favorites
        System.out.printf("%s %x %s%n", favoriteString, favoriteInteger, favoriteClass.getSimpleName());
    }

　　Favorites类局限性在于它不能用于在不可具体化的类型中，换句话说你可以保存String，String[]，但是你不能保存List<String>，因为你无法为List<String>获取一个Class对象：List<String>.class是错误的，不管是List<String>还是List<Integer>都会公用一个List.class对象。

　　List<String> list = Arrays.asList("1","2");
　　List<Integer> list2 = Arrays.asList(3,4);
　　// 只能选一种，不能有List<String>.class或者List<Integer>.class
　　favorites.putFavorite(List.class, list2);
　　// favorites.putFavorite(List.class, list)

 

 

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附1：相关泛型术语

　　1）参数化的类型：List<String>

　　2）实际类型参数：String

　　3）泛型：List<E>

　　4）形式类型参数：E

　　5）无限制通配符类型：List<?>

　　6）原生态类型：List

　　7）递归类型限制：<T extends Comparable<T>>

　　8）有限制的通配符类型：List<? extends Number>

　　9）泛型方法：static <E> List<E> union()

　　10）类型令牌：String.class

附2：常用的形式类型参数

　　1）T 代表一般的任何类。

　　2）E 代表 Element 的意思，或者 Exception 异常的意思。

　　3）K 代表 Key 的意思。

　　4）V 代表 Value 的意思，通常与 K 一起配合使用。

　　5）S 代表 Subtype 的意思

 

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本文作者：Jian
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