Java ジェネリックの詳細な紹介

#1. ジェネリックの概念の導入 (ジェネリックが必要な理由)? (推奨: java ビデオ チュートリアル )

まず、次の短いコードを見てみましょう:

public class GenericTest {

    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        list.add("qqyumidi");
        list.add("corn");
        list.add(100);

        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            String name = (String) list.get(i); // 1
            System.out.println("name:" + name);
        }
    }
}

は List 型のコレクションを定義します。2 つの値String 型の値が追加され、その後に Integer 型の値が続きます。リストのデフォルトのタイプはオブジェクトであるため、これは完全に許可されます。

後続のループでは、整数型の値を事前にリストに追加するのを忘れたり、その他のエンコードの理由により、//1 と同様のエラーが発生しやすくなります。コンパイル段階は正常ですが、実行時に「java.lang.ClassCastException」例外が発生するためです。したがって、このようなエラーはコーディング中に検出することが困難です。

上記のコーディング プロセス中に、2 つの主な問題があることがわかりました:

1. オブジェクトをコレクションに入れると、コレクションはオブジェクトの型を記憶しません。このオブジェクトが再びコレクションから取り出されると、オブジェクトのコンパイル済み型は Object 型に変わりますが、その実行時型は独自の型のままです。

2. そのため、//1のコレクション要素を取り出す際には、特定の対象型への人為的な強制型変換が必要となり、「java.lang.ClassCastException」例外が発生しやすくなります。

それでは、コレクション内の要素の型をコレクションが記憶できるようにし、コンパイル中に問題がない限り「java.lang.ClassCastException」例外が発生するという目標を達成する方法はありますか?実行時に発生しませんか?答えはジェネリック医薬品を使用することです。

2. ジェネリックとは何ですか?

ジェネリック、つまり「パラメータ化された型」。 パラメータに関して言えば、最もよく知られているのは、メソッドを定義するときに仮パラメータがあり、このメソッドを呼び出すときに実際のパラメータが渡されることです。

それでは、パラメータ化された型をどのように理解すればよいでしょうか?名前が示すように、型はメソッドの変数パラメータと同様に、元の特定の型からパラメータ化されますが、このとき、型もパラメータの形式で定義されます (これを型パラメータと呼ぶこともできます)。次に、型 (型引数) を使用または呼び出すときに、特定の型が渡されます。

少し複雑に思えますが、まず、一般的な記述を使用して上記の例を見てみましょう。

public class GenericTest {

    public static void main(String[] args) {
        /*
        List list = new ArrayList();
        list.add("qqyumidi");
        list.add("corn");
        list.add(100);
        */

        List<String> list = new ArrayList<String>();
        list.add("qqyumidi");
        list.add("corn");
        //list.add(100);   // 1  提示编译错误

        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            String name = list.get(i); // 2
            System.out.println("name:" + name);
        }
    }
}

汎用的な書き込み方法を採用した後、//1 に Integer 型オブジェクトを追加しようとするとコンパイル エラーが発生します。List を通じて、リスト コレクションには String のみを含めることが直接制限されます。この時点でコレクションは要素の型情報を記憶でき、コンパイラはそれが String 型であることをすでに確認できるため、 //2 で強制的な型変換を実行する必要はありません。

上記の一般的な定義と組み合わせると、List では、String が型の実パラメータであることがわかります。つまり、対応する List インターフェイスには型パラメータが含まれている必要があります。また、 get() メソッドの戻り結果も、この仮パラメータの型 (つまり、対応する受信型の実パラメータ) がそのまま返されます。 List インターフェイスの具体的な定義を見てみましょう:

public interface List<E> extends Collection<E> {

    int size();

    boolean isEmpty();

    boolean contains(Object o);

    Iterator<E> iterator();

    Object[] toArray();

    <T> T[] toArray(T[] a);

    boolean add(E e);

    boolean remove(Object o);

    boolean containsAll(Collection<?> c);

    boolean addAll(Collection<? extends E> c);

    boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);

    boolean removeAll(Collection<?> c);

    boolean retainAll(Collection<?> c);

    void clear();

    boolean equals(Object o);

    int hashCode();

    E get(int index);

    E set(int index, E element);

    void add(int index, E element);

    E remove(int index);

    int indexOf(Object o);

    int lastIndexOf(Object o);

    ListIterator<E> listIterator();

    ListIterator<E> listIterator(int index);

    List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);
}

List インターフェイスで一般的な定義を採用した後、 の E が型パラメータを表し、特定の Type を受け取ることができることがわかります。このインターフェイス定義では、E が現れる場所はどこでも、外部から受け取った同じ型の引数を表します。

当然ながら、ArrayList は List インターフェイスの実装クラスであり、その定義形式は次のとおりです。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> 
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    
    public E get(int index) {
        rangeCheck(index);
        checkForComodification();
        return ArrayList.this.elementData(offset + index);
    }
    
    //...省略掉其他具体的定义过程

}

これにより、ソース コードの観点から、なぜ追加時にコンパイル エラーが発生するのかがわかります。 //1 の整数型オブジェクト、 //2 の get() で取得した型はそのまま String 型です。

3. カスタマイズされたジェネリック インターフェイス、ジェネリック クラス、およびジェネリック メソッド

上記の内容から、ジェネリックの具体的な操作プロセスを誰もが理解できました。また、インターフェイス、クラス、メソッドもジェネリックスを使用して定義し、それに応じて使用できることもわかっています。はい、具体的な用途では、ジェネリック インターフェイス、ジェネリック クラス、ジェネリック メソッドに分けることができます。

カスタマイズされたジェネリック インターフェイス、ジェネリック クラス、およびジェネリック メソッドは、上記の Java ソース コードの List および ArrayList に似ています。以下に、ジェネリック クラスとジェネリック メソッドの最も単純な定義を見ていきます。

public class GenericTest {

    public static void main(String[] args) {

        Box<String> name = new Box<String>("corn");
        System.out.println("name:" + name.getData());
    }

}

class Box<T> {

    private T data;

    public Box() {

    }

    public Box(T data) {
        this.data = data;
    }

    public T getData() {
        return data;
    }

}

ジェネリック インターフェイス、ジェネリック クラス、およびジェネリック メソッドの定義プロセスでは、同じものの T、E、K、V パラメータがよく見られます。フォームは、外部使用から渡される型引数を受け取るため、ジェネリック パラメーターを表すためによく使用されます。それでは、渡されたさまざまな型の引数に対して、生成される対応するオブジェクト インスタンスの型は同じなのでしょうか?

public class GenericTest {

    public static void main(String[] args) {

        Box<String> name = new Box<String>("corn");
        Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);

        System.out.println("name class:" + name.getClass());      // com.qqyumidi.Box
        System.out.println("age class:" + age.getClass());        // com.qqyumidi.Box
        System.out.println(name.getClass() == age.getClass());    // true

    }

}

このことから、ジェネリック クラスを使用する場合、異なるジェネリック引数が渡されても、実際には異なる型が生成されないことがわかりました。メモリ内にはジェネリック クラスが 1 つだけあり、これが元の最も基本的な型 (この例ではボックス) もちろん、論理的には、これを複数の異なるジェネリック型として理解できます。

その理由は、Java におけるジェネリックの概念の目的は、コードのコンパイル段階にのみ影響することであるためです。コンパイル プロセス中、ジェネリックの結果が正しく検証された後、ジェネリックは関連情報が消去されます。つまり、正常にコンパイルされたクラス ファイルには一般的な情報が含まれていません。一般的な情報は実行時段階には入りません。

对此总结成一句话：泛型类型在逻辑上看以看成是多个不同的类型，实际上都是相同的基本类型。

四.类型通配符

接着上面的结论，我们知道，Box和Box实际上都是Box类型，现在需要继续探讨一个问题，那么在逻辑上，类似于Box和Box是否可以看成具有父子关系的泛型类型呢？

为了弄清这个问题，我们继续看下下面这个例子:

public class GenericTest {

    public static void main(String[] args) {

        Box<Number> name = new Box<Number>(99);
        Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);

        getData(name);
        
        //The method getData(Box<Number>) in the type GenericTest is 
        //not applicable for the arguments (Box<Integer>)
        getData(age);   // 1

    }
    
    public static void getData(Box<Number> data){
        System.out.println("data :" + data.getData());
    }

}

我们发现，在代码//1处出现了错误提示信息：The method getData(Box) in the t ype GenericTest is not applicable for the arguments (Box)。显然，通过提示信息，我们知道Box在逻辑上不能视为Box的父类。那么，原因何在呢？

public class GenericTest {

    public static void main(String[] args) {

        Box<Integer> a = new Box<Integer>(712);
        Box<Number> b = a;  // 1
        Box<Float> f = new Box<Float>(3.14f);
        b.setData(f);        // 2

    }

    public static void getData(Box<Number> data) {
        System.out.println("data :" + data.getData());
    }

}

class Box<T> {

    private T data;

    public Box() {

    }

    public Box(T data) {
        setData(data);
    }

    public T getData() {
        return data;
    }

    public void setData(T data) {
        this.data = data;
    }

}

这个例子中，显然//1和//2处肯定会出现错误提示的。在此我们可以使用反证法来进行说明。

假设Box在逻辑上可以视为Box的父类，那么//1和//2处将不会有错误提示了，那么问题就出来了，通过getData()方法取出数据时到底是什么类型呢？Integer? Float? 还是Number？且由于在编程过程中的顺序不可控性，导致在必要的时候必须要进行类型判断，且进行强制类型转换。显然，这与泛型的理念矛盾，因此，在逻辑上Box不能视为Box的父类。

好，那我们回过头来继续看“类型通配符”中的第一个例子，我们知道其具体的错误提示的深层次原因了。那么如何解决呢？总部能再定义一个新的函数吧。

这和Java中的多态理念显然是违背的，因此，我们需要一个在逻辑上可以用来表示同时是Box和Box的父类的一个引用类型，由此，类型通配符应运而生。

类型通配符一般是使用 ? 代替具体的类型实参。注意了，此处是类型实参，而不是类型形参！且Box在逻辑上是Box、Box...等所有Box<具体类型实参>的父类。由此，我们依然可以定义泛型方法，来完成此类需求。

public class GenericTest {

    public static void main(String[] args) {

        Box<String> name = new Box<String>("corn");
        Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
        Box<Number> number = new Box<Number>(314);

        getData(name);
        getData(age);
        getData(number);
    }

    public static void getData(Box<?> data) {
        System.out.println("data :" + data.getData());
    }

}

有时候，我们还可能听到类型通配符上限和类型通配符下限。具体有是怎么样的呢？

在上面的例子中，如果需要定义一个功能类似于getData()的方法，但对类型实参又有进一步的限制：只能是Number类及其子类。此时，需要用到类型通配符上限。

public class GenericTest {

    public static void main(String[] args) {

        Box<String> name = new Box<String>("corn");
        Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
        Box<Number> number = new Box<Number>(314);

        getData(name);
        getData(age);
        getData(number);
        
        //getUpperNumberData(name); // 1
        getUpperNumberData(age);    // 2
        getUpperNumberData(number); // 3
    }

    public static void getData(Box<?> data) {
        System.out.println("data :" + data.getData());
    }
    
    public static void getUpperNumberData(Box<? extends Number> data){
        System.out.println("data :" + data.getData());
    }

}

此时，显然，在代码//1处调用将出现错误提示，而//2 //3处调用正常。

类型通配符上限通过形如Box形式定义，相对应的，类型通配符下限为Box形式，其含义与类型通配符上限正好相反，在此不作过多阐述了。

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