java泛型綜合詳解

在日常生活中，我們常用到泛型，但是泛型資料有些時候會報一些莫名其妙的錯，而且一些通配符等語法、泛型在虛擬機器中的真正操作方式也有我們值得研究之處，今天我們就一起來討論一下泛型。

（一）  創造

在java增加泛型之前，當年都是用繼承來處理現在用泛型運算的程式的。

ArrayList files = new ArrayList();String filename = (String) files.get(0);

ArrayList<String> files2 = new ArrayList<>();
//后一个尖括号中的内容可以省略，在1.7之后String filename2= files2.get(0);String addname = "addname";

files2.add(addname);
//在add函数调用之时，ArrayList泛型会自动检测add的内容是不是String类型
files2.add(true);
//报错 The method add(String) in the type ArrayList<String> is not applicable for the arguments (boolean)

例如ArrayList類別只是維護了一個Object引用的數組，在取得值時需要類型強轉（上面前兩行），在傳入內容的時候沒有保證。有了泛型之後這個資料結構變得方便、可讀性好且安全，我們可以一下看出ArrayList數組中存入類型為String，而且類似ArrayList的add方法也會自動的關聯起String類型的參數，其他類型的值並不能add到列表中。

除此之外，還有一點想要說明的是，上面程式碼的前兩行是沒有錯誤的。因為在ArrayList中，不使用<>也是可以的，泛型類別的限制還是很多的，在需要的情況下，也有要用到ArrayList類別的時候。

（二）  泛型類別

直接來一個簡單的泛型類別：

public class Pair<T> {    
private T first;    
private T second;    
public Pair() {
        first = null;
        second = null;
    }    public Pair(T first, T second) {        
    this.first = first;        
    this.second = second;
    }    
    public T getFirst() {        
    return first;
    }    
    public void setFirst(T first) {        
    this.first = first;
    }    
    public T getSecond() {        
    return second;
    }    
    public void setSecond(T second) {        
    this.second = second;
    }

}

其實泛型類別可以看成是普通類的工廠，將T替換成我們需要的類型即可。那麼對於需要兩種類型的情況，我們只要寫成Pair即可。 T和U這兩個域分別使用不同的型別。

上面的例子過於簡單，也並不能做什麼實質的工作，那麼請大家思考這樣一個問題，如果我們在上面的泛型類別中加入一個函數：

public T min(T[] array) {...}//返回传入数组中的最小值

那麼這個時候，我們想要實作這個函數，我們至少要保證一點T型別的物件是可以比較大小的，怎麼樣去偵測這個情況呢？實際上我們可以透過對類型變數T設定限定而解決這個問題。

public <T extends Comparable>T min(T[] array){...}//T如果没有实现compare方法则报错不执行min函数

<T extends Comparable>的意思大家也能猜出個八九不離十，就是要求T這個類型變數要繼承Comparable這個介面。現在泛型的min方法只能被實作了Comparable介面的類別（例如String，Date…）的陣列調用，其他的類別會產生一個編譯錯誤。
相同的，也可以有多個限定：<T，U extends Comparable&Serializable>也是被允許的。逗號來分隔類型變量，&來分隔限定類型。

其實Comparable本身就是一個泛型接口，為了上面內容能夠簡單的被理解，我們就裝糊塗當作他不是泛型接口。但要注意的是，其實上面的真正正確的寫法是：>而不是<T extends Comparable>

（三）泛型方法

1.普通類別中泛型方法

#泛型類別定義的泛型在整個類別中有效。是說泛型類別的物件在明確要操作的具體類型後，所有要操作的類型就已經固定了。例如ArrayList,整個ArrayList的泛型和String類型綁定了，不能修改。但在某些情況下我們需要更多的彈性，為了讓方法可以操作各種不確定類型，可以將泛型定義在方法上。

    public <T> T getMid(T[] array){        
    return array[array.length/2];
    }

例如上面的這個getMid的函數，在傳回值T的前面加上<T>就使他變成了一個泛型方法。請注意，他是出於一個普通類別中的，泛型方法不一定要存在於泛型類別中。下面給出呼叫泛型方法的例子，當呼叫泛型方法時，編譯器會根據後面的型別來推斷呼叫的方法，所以並不需要顯示的表示出T是什麼型別：

String mid = ArrayAlg.getMid("Jone" , "Q" , "Peter");
//okdouble mid2 = ArrayAlg.getMid(3.14 , 25.9 , 20);
//error，编译器会把20自动打包成Integer类型，而其他打包成Double类型，我们尽量不要让这种错误发生

2.泛型類別中泛型方法

在普通類別中，我們可以透過上述泛型方法來靈活地呼叫不同的型別參數。在泛型類別中，我們需要這麼靈活的泛型方法麼？我認為是不需要的。我們為泛型類別提供了型別參數，實際上我們很少會在一個型別中用到其他的型別，如果一定要用到，我們一般會採用Pair這樣多個型別參數的方法，或者乾脆再定義一個要使用型別的泛型類別。
那麼泛型方法在泛型類別中有什麼用呢？我們可以在泛型類別中用泛型方法來為泛型變數做限定，例如我們在上面提到的<T extends Comparable>T方法只能被有Comparable介面的T使用，否則會出錯。

@SuppressWarnings("hiding")
public static <T extends Comparable<?> & Serializable> T min(T[] array) {...}

（四） 虚拟机中的泛型

1.虚拟机中没有泛型，只有普通的类和方法

java虚拟机中没有泛型类型对象——所有的对象都属于普通类，那么虚拟机是怎么用普通类来模拟出泛型的效果呢？
只要定义了一个泛型类，虚拟机都会自动的提供一个原始类型。原始类型的名字就是删除类型参数的泛型类的名字。擦除类型变量，并替换为第一个限定类型（如果没有限定则用Object来替换）。
比如，我们在一开始给出的简单泛型类Pair<T>在虚拟机中会变成如下的情况：

public class Pair {    
private Object first;    
private Object second;    
public Pair() {
        first = null;
        second = null;
    }    
    public Pair(Object first, Object second) {        
    this.first = first;        
    this.second = second;
    }    
    public Object getFirst() {        
    return first;
    }    
    public void setFirst(Object first) {        
    this.first = first;
    }    
    public Object getSecond() {        
    return second;
    }    
    public void setSecond(Object second) {        
    this.second = second;
    }

}

这就是擦除了类型变量，并且将没有限制的T换成Object之后的情况，如果有限定类型，比如，我们的泛型类是Pair按照替换为第一个限定类型的规定，替换后的情况如下：

public class Pair {    
private Compararble first;    
private Compararble second;    
public Pair() {
        first = null;
        second = null;
    }    
    public Pair(Compararble first, Compararble second) {        
    this.first = first;        
    this.second = second;
    }    
    public Compararble getFirst() {        
    return first;
    }    
    public void setFirst(Compararble first) {        
    this.first = first;
    }    
    public Compararble getSecond() {        
    return second;
    }    
    public void setSecond(Compararble second) {        
    this.second = second;
    }

}

那么既然类型都被擦除了，类型参数也被替换了，怎么起到泛型的效果呢？当程序调用泛型方法时，如果返回值是类型参数（就是返回值是T），那么编译器会插入强制类型转换：

Pair<String> a = ...;
String b = a.getFirst();//编译器强制将a.getFirst()的Object类型的结果转换为String类型

编译器将上述过程翻译位两条虚拟机指令：
- 对原始方法Pair.getFirst的调用。
- 将返回的Object类型强制转换为String类型。

2.翻译泛型方法，桥方法被使用以保持多态性

对于类型擦出也出现在泛型方法中，但是泛型方法中的擦除带来很多问题：

//----------------类A擦除前----------------------class A extends Pair<Date>{
    public void setSecond(Date second){...}
}//----------------类A擦除后----------------------class A extends Pair{
    public void setSecond(Date second){...}
}

从上面的代码中，我们可以看出，类A重写了Pair中的setSecond方法，看似合情合理，但是一旦擦除之后就发生了问题。将Pair擦除后，原函数变为：

public Class Pair{
    public void setSecond(Object second){...}
}

突然发现，父类Pair中的setSecond方法参数变为Object，和子类中的参数不同。擦除之后，父类的setSecond方法和子类的setSecond方法完全变为两个不一样的方法！这就没有了重写之说，那么接着考虑下面的语句：

A a = new A();Pair<Date> pair = a;pair.setSecond(new Date());
//当pair去调用setSecond函数时，有两个不一样的setSecond函数可以被调用，一个是父类中参数为Object的，一个是子类中参数为Date的。

第三行的调用出现了两种情况，这绝对不是我们想要的结果，我们开始的时候只是重写了父类中的setSecond方法，但是现在有两个不同的setSecond方法可以被使用，而且这时编译器不知道要去调用哪个。
为了防止这种情况的发生，编译器会在A类（子类）中生成一个桥方法：

//------------桥方法--------------
public void setSecond(Object second){ setSecond((Date)second); }

这个桥方法，让Object参数的方法去调用Date参数的方法，从而将两个方法合二为一，这个桥方法不是我们自己写的，而是在虚拟机中自动生成的，让代码变得安全，让运行结果变得符合我们的期望。

（五） 通配符 “？”

当两个有关系的类分别作为两个泛型类的类型变量的时候，这两个泛型类是没有关系的。这个时候如果需要涉及到继承规则之类的内容时，那么就需要使用通配符——“？”。

1. 子类型限定和超类型限定（上下界限定）

有的时候两个类间有继承关系，但是分别作为泛型类型变量之后就没了关系，在函数调用和返回值的时候，这种不互通尤为让人头痛。好在通配符的上下界限定类型为我们安全的解决了这个难题。
？ super A的意思是“？是A类型的父类型”，? extends A的意思是“？是A类型的子类型”。
既然知道了意思,我们看一下下面这四种用法：

public static void printA (Pair<? super A> p) {...} //ok
public static void printA (Pair<? extends A> p) {...} //error
public static Pair<? extends A> printA () {...} //ok
public static Pair<? super A> printA () {...} //error

为什么四种中有两种有错误呢？
实际上，要牢记这句话：带有超类型限定的通配符可以向泛型对象写入（做参数），带有子类型限定的通配符可以从泛型对象读取（做返回值）。道理这里就不详细讲了，如果有兴趣研究的话可以思考一下，思考的方向无非是继承关系之间的引用转换，只有上面两行ok的方法才是转换安全的。现在我们可以试着去理解上面的>了。

2. 无限定通配符

无限定通配符的用法其实很单一。无限定通配符修饰的返回值只能为Object，而其做参数是不可以的。那么无限定通配符的用处在哪里呢？源于他的可读性好。

public static boolean hasNulls(Pair<?>){...}

上面的代码的意思是对于任何类型的Pair泛型判断是否为空，这样写比用T来表示可读性确实好的多。

（六） 泛型注意事项

1. 不能用基本类型实例化类型参数

八大基本类型务必要使用包装类来实例化，否则泛型参数一擦除我们就傻眼了，怎么把int的数据放到Object里面呢？

2. 不能创建参数化类型数组

参数化的类型数组是不能被创建的。我们完全可以用多个泛型嵌套来避免这种情况的发生，如果创建了泛型数组，擦除之后类型会变成Object[ ]，如果有一个类型参数不同的泛型存入这个数组时，因为都被擦除成Object，所以不会报错，导致了错误的发生。需要说明的是，只是不允许创建这些数组，而声明类型为Pair[]的变量是合法的，只不过不能用new Pair[10]初始化这个变量。更确切地表达是：数组类型不能是类型变量，采用通配符的方式是可以允许的。

3. 运行时类型查询只适用于原始类型

要记住在虚拟机中，每个对象都有一个特定的非泛型类。所以，所有的类型查询只产生原始类型。比如：

if(a instanceof Pair<String>) //只能测试a是否是任意类型的一个Pair
Pair<String> sp = ...;
sp.getClass(); //获得的也是Pair（原始类型）

4. 不能实例化类型变量

有的时候我们需要将类型变量实例化成它自己本身的类型，但是一定要注意写法，不可以直接实例化类型变量：

public Pair() {    this.first = new T();//错误，类型擦除后T变成Object，new Object()肯定不是想要的
    this.first = T.class.newInstance();//错误，T.class是不合法的写法}

上述的两种写法都是错的，如果一定要这样做的话，也只能在调用泛型类的时候构造出一个方法（构造的方法不在泛型类中，在调用泛型类的普通类中），将你要用的类型作为参数传进去，想办法来实例化。

5. 泛型类的静态上下文中类型变量无效

不能在静态域中引用类型变量，静态方法本来就是和对象无关，他怎么能知道你传进来的是什么类型变量呢？

6. 不能抛出或者捕获泛型类实例

既不能抛出也不能捕获泛型对象。事实上，甚至泛型类扩展Throwable都是不可以的，但是平时我们不去编写泛型类的时候，这一条并不需要注意过多。

7. 继承关系的类分别成为类型参数后无关系

当两个有关系的类分别作为两个泛型类的类型变量的时候，这两个泛型类是没有关系的。这个时候如果需要涉及到继承规则之类的内容时，一定要使用通配符，坚决不要手软。

8. 泛型类的静态方法必须作为泛型方法

泛型类的静态方法因为是静态，所以也不能获得类型变量，在这个时候唯一的解决办法是——所有的静态方法都是泛型方法。

9. 通配符不能作为一种类型使用

? t = p.getA(); //error

所有用“？”来作为类型的写法都是不被允许的，我们需要用T来作为类型参数，有必要的时候可以做一个辅助函数，用T类型来完成工作，用？通配符来做外面的包装，既达到了目的，又提高了可读性。

（七）  总结

泛型为我们提供了许许多多的便利，包装出来的很多泛型类让我们能更快速安全的工作。而泛型的底层实现原理也是很有必要研究一下的，一些需要我们注意的事项和通配符的使用，此类细节也确实有许多值得我们学习之处。

在日常生活中，我们经常用到泛型，但是泛型数据有些时候会报一些莫名其妙的错，而且一些通配符等语法、泛型在虚拟机中的真正操作方式也有我们值得研究之处，今天我们就一起来讨论一下泛型。

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