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Java泛型介绍

伊谢尔伦

Jan 24, 2017 pm 02:57 PM

generik java

一. 泛型概念的提出（为什么需要泛型）？

首先，我们看下下面这段简短的代码:

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);
        }
    }
}

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定义了一个List类型的集合，先向其中加入了两个字符串类型的值，随后加入一个Integer类型的值。这是完全允许的，因为此时list默认的类型为Object类型。在之后的循环中，由于忘记了之前在list中也加入了Integer类型的值或其他编码原因，很容易出现类似于//1中的错误。因为编译阶段正常，而运行时会出现“java.lang.ClassCastException”异常。因此，导致此类错误编码过程中不易发现。

在Java SE 1.5之前，没有泛型的情况的下，通过对类型Object的引用来实现参数的“任意化”，“任意化”带来的缺点是要做显式的强制类型转换，而这种转换是要求开发者对实际参数类型可以预知的情况下进行的。对于强制类型转换错误的情况，编译器可能不提示错误，在运行的时候才出现异常，这是一个安全隐患。泛型的好处是在编译的时候检查类型安全，并且所有的强制转换都是自动和隐式的，提高代码的重用率。

二.什么是泛型？

泛型是Java SE 1.5的新特性，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、接口和方法的创建中，分别称为泛型类、泛型接口、泛型方法。那么参数化类型怎么理解呢？顾名思义，就是将类型由原来的具体的类型参数化，类似于方法中的变量参数，此时类型也定义成参数形式（可以称之为类型形参），然后在使用/调用时传入具体的类型（类型实参）。

看着好像有点复杂，首先我们看下上面那个例子采用泛型的写法。

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);
        }
    }
}

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采用泛型写法后，在//1处想加入一个Integer类型的对象时会出现编译错误，通过List，直接限定了list集合中只能含有String类型的元素，从而在//2处无须进行强制类型转换，因为此时，集合能够记住元素的类型信息，编译器已经能够确认它是String类型了。

结合上面的泛型定义，我们知道在List中，String是类型实参，也就是说，相应的List接口中肯定含有类型形参。且get()方法的返回结果也直接是此形参类型（也就是对应的传入的类型实参）。下面就来看看List接口的的具体定义：

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);
}

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我们可以看到，在List接口中采用泛型化定义之后，中的E表示类型形参，可以接收具体的类型实参，并且此接口定义中，凡是出现E的地方均表示相同的接受自外部的类型实参。

自然的，ArrayList作为List接口的实现类，其定义形式是：

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
}

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由此，我们从源代码角度明白了为什么//1处加入Integer类型对象编译错误，且//2处get()到的类型直接就是String类型了。

三. 什么是元组类库，怎么用？

为什么使用元组tuple？

元组和列表list一样，都可能用于数据存储，包含多个数据；但是和列表不同的是：列表只能存储相同的数据类型，而元组不一样，它可以存储不同的数据类型，比如同时存储int、string、list等，并且可以根据需求无限扩展。

比如说在web应用中，经常会遇到一个问题就是数据分页问题，查询分页需要包含几点信息：当前页数、页大小；查询结果返回数据为：当前页的数据记录，但是如果需要在前台显示当前页、页大小、总页数等信息的时候，就必须有另外一个信息就是：数据记录总数，然后根据上面的信息进行计算得到总页数等信息。这个时候查询某一页信息的时候需要返回两个数据类型，一个是list（当前也的数据记录），一个是int（记录总数）。当然，完全可以在两个方法、两次数据库连接中得到这两个值。事实上在查询list的时候，已经通过sql查询得到总计录数，如果再开一个方法，再做一次数据库连接来查询总计录数，不免有点多此一举、浪费时间、浪费代码、浪费生命。言重了~在这种情况下，我们就可以利用二元组，在一次数据库连接中，得到总计录数、当前页记录，并存储到其中，简单明了！

四. 自定义泛型接口、泛型类和泛型方法

从上面的内容中，大家已经明白了泛型的具体运作过程。也知道了接口、类和方法也都可以使用泛型去定义，以及相应的使用。是的，在具体使用时，可以分为泛型接口、泛型类和泛型方法。

自定义泛型接口、泛型类和泛型方法与上述Java源码中的List、ArrayList类似。如下，我们看一个最简单的泛型类和方法定义：

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;
    }
}

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在泛型接口、泛型类和泛型方法的定义过程中，我们常见的如T、E、K、V等形式的参数常用于表示泛型形参，由于接收来自外部使用时候传入的类型实参。那么对于不同传入的类型实参，生成的相应对象实例的类型是不是一样的呢？

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
    }
}

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由此，我们发现，在使用泛型类时，虽然传入了不同的泛型实参，但并没有真正意义上生成不同的类型，传入不同泛型实参的泛型类在内存上只有一个，即还是原来的最基本的类型（本实例中为Box），当然，在逻辑上我们可以理解成多个不同的泛型类型。

究其原因，在于Java中的泛型这一概念提出的目的，导致其只是作用于代码编译阶段，在编译过程中，对于正确检验泛型结果后，会将泛型的相关信息擦出，也就是说，成功编译过后的class文件中是不包含任何泛型信息的。泛型信息不会进入到运行时阶段。

五. 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());
    }
}

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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;
    }
}

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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());
    }
}

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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());
    }
}

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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

六. 怎么构建复杂模型如list元组？

泛型的一个重要好处是能够简单而安全地创建复杂的模型。如List元组。

package Generics;  
  
import java.util.ArrayList;  
  
class ThreeTuple2<A,B,C>{  
    public final A first;  
    public final B second;  
    private final C three;  
    public ThreeTuple2(A a,B b,C c){  
        first = a;  
        second = b;  
        three = c;  
    }  
    public String toString(){  
        return "(" + first + "," + second + "," + three + ")";  
    }  
}  
  
public class TupleList<A,B,C> extends ArrayList<ThreeTuple2<A,B,C>> {  
    static ThreeTuple2<Integer,String,Character> h(){  
        return new ThreeTuple2<Integer,String,Character>(99,"掌上洪城",&#39;a&#39;);  
    }  
    public static void main(String[] args) {  
        TupleList<Integer,String,Character> ts = new TupleList<Integer,String,Character>();  
        ts.add(h());  
        ts.add(h());  
        for(ThreeTuple2<Integer,String,Character> ttp:ts)  
        System.out.println(ttp);          
    }  
}  
package Generics;  
  
import java.util.ArrayList;  
  
class ThreeTuple2<A,B,C>{  
    public final A first;  
    public final B second;  
    private final C three;  
    public ThreeTuple2(A a,B b,C c){  
        first = a;  
        second = b;  
        three = c;  
    }  
    public String toString(){  
        return "(" + first + "," + second + "," + three + ")";  
    }  
}  
  
public class TupleList<A,B,C> extends ArrayList<ThreeTuple2<A,B,C>> {  
    static ThreeTuple2<Integer,String,Character> h(){  
        return new ThreeTuple2<Integer,String,Character>(99,"掌上洪城",&#39;a&#39;);  
    }  
    public static void main(String[] args) {  
        TupleList<Integer,String,Character> ts = new TupleList<Integer,String,Character>();  
        ts.add(h());  
        ts.add(h());  
        for(ThreeTuple2<Integer,String,Character> ttp:ts)  
        System.out.println(ttp);          
    }  
}  
/* 输出结果为： 
(99,掌上洪城,a) 
(99,掌上洪城,a) 
*/

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七. 泛型的擦除

package generics;  
  
import java.util.*;  
  
public class ErasedTypeEquivalence {  
    public static void main(String[] args) {  
        Class c1 = new ArrayList<String>().getClass();  
        Class c2 = new ArrayList<Integer>().getClass();  
        System.out.println(c1 == c2);  
    }  
} /* 
     * Output: true 
     */// :~

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在泛型内部，无法获得任何有关泛型参数类型的信息。

ArrayList和ArrayList是相同的类型。

擦除的补偿

要想在表达式中使用类型，需要显式地传递类型的class对象。

package generics;  
class Building {  
}  
  
class House extends Building {  
}  
  
public class ClassTypeCapture<T> {  
    Class<T> kind;  
  
    public ClassTypeCapture(Class<T> kind) {  
        this.kind = kind;  
    }  
  
    public boolean f(Object arg) {  
        return kind.isInstance(arg);  
    }  
  
    public static void main(String[] args) {  
        ClassTypeCapture<Building> ctt1 = new ClassTypeCapture<Building>(Building.class);  
        System.out.println(ctt1.f(new Building()));  
        System.out.println(ctt1.f(new House()));  
        ClassTypeCapture<House> ctt2 = new ClassTypeCapture<House>(House.class);  
        System.out.println(ctt2.f(new Building()));  
        System.out.println(ctt2.f(new House()));  
    }  
} /* 
     * Output: true true false true 
     */// :~

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八. 可以创建泛型数组吗？相应的应用场景怎么处理？

正如你在下面示例Erased.java中所见，不能创建泛型数组。一般的解决方案是任何想要创建泛型数组的地方都使用ArrayList:

package generics;  
  
public class Erased<T> {  
    private final int SIZE = 100;  
  
    public static void f(Object arg) {  
        if (arg instanceof T) {  
        } // Cannot make a static reference to the non-static type T  
        T var = new T(); // Error  
        T[] array = new T[SIZE]; // Error  
        T[] array = (T) new Object[SIZE]; // Unchecked warning  
    }  
} /// :~

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使用ArrayList示例

package generics;  
  
import java.util.*;  
  
public class ListOfGenerics<T> {  
    private List<T> array = new ArrayList<T>();  
  
    public void add(T item) {  
        array.add(item);  
    }  
  
    public T get(int index) {  
        return array.get(index);  
    }  
} /// :~

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九. 泛型限定（上限和下限）的表达式是怎样的？

上限：？extends E：可以接收E类型或者E的子类型对象。

下限：？super E：可以接收E类型或者E的父类型对象。

上限什么时候用：往集合中添加元素时，既可以添加E类型对象，又可以添加E的子类型对象。为什么？因为取的时候，E类型既可以接收E类对象，又可以接收E的子类型对象。

下限什么时候用：当从集合中获取元素进行操作的时候，可以用当前元素的类型接收，也可以用当前元素的父类型接收。

十. 什么时候用泛型？

当接口、类及方法中的操作的引用数据类型不确定的时候，以前用的Object来进行扩展的，现在可以用泛型来表示。这样可以避免强转的麻烦，而且将运行问题转移到的编译时期。

泛型的细节：

1）、泛型到底代表什么类型取决于调用者传入的类型，如果没传，默认是Object类型；

2）、使用带泛型的类创建对象时，等式两边指定的泛型必须一致；

原因：编译器检查对象调用方法时只看变量，然而程序运行期间调用方法时就要考虑对象具体类型了；