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Java泛型介紹

伊谢尔伦
發布： 2017-01-24 14:57:50
原創
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一. 泛型概念的提出（為什麼需要泛型）？

首先，我們看下下面這段簡短的程式碼:

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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定義了一個List類型的集合，先向其中加入了兩個字串類型的值，隨後加入一個Integer類型的值。這是完全允許的，因為此時list預設的類型為Object類型。在之後的循環中，由於忘記了先前在list中也加入了Integer類型的值或其他編碼原因，很容易出現類似//1中的錯誤。因為編譯階段正常，而執行時會出現「java.lang.ClassCastException」異常。因此，導致此類錯誤編碼過程中不易發現。

在Java SE 1.5之前，沒有泛型的情況的下，透過對類型Object的引用來實現參數的“任意化”，“任意化”帶來的缺點是要做顯式的強制類型轉換，而這種轉換是要求開發者對實際參數類型可以預知的情況下進行的。對於強制類型轉換錯誤的情況，編譯器可能不提示錯誤，在運行的時候才出現異常，這是一個安全隱患。泛型的好處是在編譯的時候檢查型別安全，並且所有的強制轉換都是自動和隱式的，提高程式碼的重用率。

二.什麼是泛型？

泛型是Java SE 1.5的新特性，泛型的本質是參數化類型，也就是說所操作的資料類型被指定為一個參數。這種參數類型可以用在類別、介面和方法的建立中，分別稱為泛型類別、泛型介面、泛型方法。那麼參數化類型怎麼理解呢？顧名思義，就是將類型由原來的具體的類型參數化，類似於方法中的變數參數，此時類型也定義成參數形式（可以稱之為類型形參），然後在使用/呼叫時傳入具體的類型（類型實參）。

 看著好像有點複雜，首先我們看下上面那個例子採用泛型的寫法。 

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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採用泛型寫法後，在//1處想加入一個Integer類型的物件時會出現編譯錯誤，透過List，直接限定了list集合中只能含有String類型的元素，從而在/ /2處無須進行強制類型轉換，因為此時，集合能夠記住元素的類型信息，編譯器已經能夠確認它是String類型了。

結合上面的泛型定義，我們知道在List中，String是類型實參，也就是說，對應的List介面中肯定含有類型形參。且get()方法的回傳結果也直接是此形參類型（也就是對應的傳入的類型實參）。下面就來看看List介面的的具體定義：

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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我們可以看到，在List介面中採用泛型化定義之後，中的E表示類型形參，可以接收具體的類型實參，而此介面定義中，凡是出現E的地方均表示相同的接受自外部的類型實參。

自然的，ArrayList作為List介面的實作類，其定義形式是：

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，我們從原始碼角度明白了為什麼//1處加入Integer類型物件編譯錯誤，且//2處get( )到的類型直接就是String類型了。

三. 什麼是元組類庫，怎麼用？

為什麼要用元組tuple？

元組和列表list一樣，都可能用於資料存儲，包含多個資料；但是和列表不同的是：列表只能存儲相同的資料類型，而元組不一樣，它可以存儲不同的資料類型，例如同時儲存int、string、list等，並且可以依需求無限擴充。

比如說在web應用程式中，常常會遇到一個問題就是資料分頁問題，查詢分頁需要包含幾點資訊：目前頁數、頁大小；查詢結果回傳資料為：目前頁的資料記錄，但是如果需要在前台顯示目前頁、頁大小、總頁數等資訊的時候，就必須有另外一個資訊就是：資料記錄總數，然後根據上面的資訊進行計算得到總頁數等資訊。這時候查詢某一頁資訊的時候需要回傳兩個資料類型，一個是list（目前也的資料記錄），一個是int（記錄總數）。當然，完全可以在兩個方法、兩次資料庫連線中得到這兩個值。事實上在查詢list的時候，已經透過sql查詢得到總計錄數，如果再開一個方法，再做一次資料庫連線來查詢總計錄數，不免有點多此一舉、浪費時間、浪費程式碼、浪費生命。言重了~在這種情況下，我們就可以利用二元組，在一次資料庫連線中，得到總計錄數、當前頁記錄，並儲存到其中，簡單明了！

四. 自訂泛型介面、泛型類別和泛型方法

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；

3）、等式两边可以在任意一边使用泛型，在另一边不使用(考虑向后兼容)；

ArrayListal = new ArrayList();  //错

//要保证左右两边的泛型具体类型一致就可以了，这样不容易出错。

ArrayList al = new ArrayList();

al.add("aa");  //错

//因为集合具体对象中既可存储String，也可以存储Object的其他子类，所以添加具体的类型对象不合适，类型检查会出现安全问题。 ？extendsObject 代表Object的子类型不确定，怎么能添加具体类型的对象呢？

public static voidmethod(ArrayList al) {

al.add("abc");  //错

  //只能对al集合中的元素调用Object类中的方法，具体子类型的方法都不能用，因为子类型不确定。

十一. Java类库中的泛型有那些？

所有的标准集合接口都是泛型化的—— Collection、List、Set 和 Map。类似地，集合接口的实现都是用相同类型参数泛型化的，所以HashMap 实现 Map 等。

除了集合类之外，Java 类库中还有几个其他的类也充当值的容器。这些类包括 WeakReference、SoftReference 和 ThreadLocal。





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來源：php.cn
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來自於 2024-04-03 12:10:23
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