Java高级特性—泛型

一、什么是泛型？

泛型支持在定义类、接口和方法时将类型作为参数。泛型参数与方法声明中使用的形式参数非常相似，泛型参数使我们可以在不同的输入中重用相同的代码。但与形式参数不同之处在于，形式参数的输入是值，而类型参数的输入是类型。
我们可以将泛型 < T > 理解为占位符，在定义类时不清楚它会是什么类型，但是类中的代码逻辑是通用的，无论类在使用时< T >会被什么参数类型替代。

比如我们经常使用的List集合,在创建时通常都要指定其类型：

//指定泛型类型为String
List<String> stringList = new ArrayList<>();
  stringList.add("hello");
  stringList.add("world");
  //试图添加非String类型元素，编译会报错
  stringList.add(100);

当然我们也可以不指定集合泛型E，但是它会带来隐患：

//未指定元素泛型类型,可以存储任何object类型
List frulist  = new ArrayList();
 frulist .add("apple");
 frulist .add("banana");
 //隐患1：可以加入其它类型元素
 frulist.add(100);
 //隐患2：取出元素时，必须进行类型转换，容易出错
 String str = (String)frulist.get(0);

二、泛型的定义

上面已经提到，泛型支持在定义类、接口和方法时将类型作为参数。下面我们通过例子来看下具体泛型具体使用方式。

（1）泛型类

泛型类的定义方式如下，类型参数 T由< >包裹，紧跟在类名之后，类型参数可以有多个，以英文逗号分割。

class name<T1, T2, ..., Tn> { 
   /* ... */ 
}

知道了泛型类的格式，我们来具体实践下，先定义一个非泛型的类Box,它只有一个Object类型成员变量，同时提供简单的set\get方法

class Box{
    private Object content;
    
    public void set(Object object) {
        this.content = object;
    }
    public Object get() {
        return content;
    }
}

Box类的成员属性content是Object类型，所以我们可以自由的存放任何类型数据，在使用时可能会像下面这样：

       public static void main(String[] args) {
            //创建一个box类，来存放String类型数据
	        Box box = new Box();
	        box.set("hello world");
	        //取值时，都要进行强制类型转换
	        String content = (String) box.get();
	     
	        //.....很多行代码后,不小心存了boolean类型
	        box.set(false);
	        
	        //...很多行代码后,又一个疏忽,带来了ClassCastException
	        Integer count = (Integer) box.get();
    }

可以看到，在使用非泛型的Box类时，虽然存放的元素类型非常自由，但也存在很多严重问题，比如我们创建Box类对象，本来是想存放String类型数据，却可能不小心使用box的set()方法存了boolean类型，另外每次使用box.get()取值时,都要进行强制类型转换，很容易遇见java.lang.ClassCastException

这时候我们就可以使用泛型类了，对Box类进行改造，在类的声明时加入泛型参数 < T >，然后在Box类内部就可以使用泛型参数 T 代替原来的Object，set\get方法所使用的参数类型，也都使用 T 来代替，此时我们的Box类就是泛型类了。

class Box <T> {
    private T content;
    
    public void set(T object) {
        this.content = object;
    }
    public T get() {
        return content;
    }
}

这时我们在使用泛型类Box时，指定类型参数< T >的实际类型即可

 public static void main(String[] args) {
        //创建Box类时，指定泛型参数为String
        Box<String> box = new Box();
        box.set("hello world");
        
        //由于指定了泛型，不需要在进行强制类型转换
        String content = box.get();
      
        //不小心存了boolean类型，IDE在编译时会报错
        box.set(false);
    }

到了这里你是否联想到，我们经常使用的集合List< T >,Map < K,V>,例如HashMap的源码中类声明部分：

//HashMap类源码
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
  
   //........../
}    

（2）泛型方法

泛型方法是引入自己的类型参数的方法。类似于声明泛型类型，但是类型参数的范围仅限于声明它的方法。允许使用静态和非静态泛型方法，以及泛型类构造函数。
泛型方法的语法包括尖括号< >内的类型参数列表，该列表出现在方法的返回类型之前。对于静态泛型方法，类型参数部分必须出现在方法的返回类型之前。
泛型方法长什么样子呢，下面看个例子：

/**
*泛型类Pair，用于创建key-value类型键值对
*类似与JDK中Map内部Entry
*/
public class Pair<K, V> {

    private K key;
    private V value;

    public Pair(K key, V value) {
        this.key = key;
        this.value = value;
    }

    public void setKey(K key) { this.key = key; }
    public void setValue(V value) { this.value = value; }
    public K getKey()   { return key; }
    public V getValue() { return value; }
}

public class Util {
    /**
    * 泛型方法compare
    * 泛型参数列表出现在必须位于方法的返回值之前。
    * 泛型参数在声明后，才能在方法内部使用       
    * 泛型类中的返回值为T的方法不是泛型方法
    **/
    public static <K, V> boolean compare(Pair<K, V> p1, Pair<K, V> p2) {
        return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
               p1.getValue().equals(p2.getValue());
    }
   
   /**
   *泛型方法，
   *计算数组T[]中大于指定元素elem的元素数量
   *  > 是泛型的继承，extends 限定了方法
   * 中使用的必须是Comparable的子类，这样才能在方法里使用compareTo方法
   */
   public static <T extends Comparable<T> > int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
		    int count = 0;
		    for (T e : anArray)
		        if (e.compareTo(elem) > 0)
		            ++count;
		    return count;
}

    public static void main(String[] args) {
         Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
		 Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
		 //使用泛型方法，并指定参数类型
		 boolean same = Util.<Integer, String>compare(p1, p2);
    }
}

三、泛型规范

（1）类型参数命名约定

按照惯例，类型参数名称是单个大写字母。便于区分类型变量和普通类或接口名称。最常用的类型参数名有:

• T 类型，常用在泛型类、泛型接口上，如java 中的 Comparable< T >
• E 元素，在Java集合类中广泛使用，如List< E > , Set< E >
• N 数值类型，主要用在数字相关的
• K 键，典型的就是Map< K ,V>
• V 值,同Map< K ,V>

以上是官方推荐的几种，除此之外，还可以使用S、U等等

（2）泛型通配符与泛型限定

在泛型里代码中，使用 作为通配符，表示一个未知的类型。
那为什么要使用通配符呢？主要是因为在java中，数组是可以协变的，比如Cat extends Animal，那么Animal[] 与Cat[]是兼容的。而集合是不能协变的，也就是说List < Animal >不是List< Cat >的父类，二者不能相互赋值，这就导致了一个逻辑上问——能够存放父类Animal元素的集合，却不能存放它的子类Cat。

abstract class Animal {
    public abstract void eat();
}
class Cat extends Animal{
    @Override
    public void eat() {}
}
public class TestC{
    public static void main(String[] args) {
        //Animal是Cat父类，数组可以赋值
        Animal[] animal = new Cat[5];
        
        //Animal是Cat父类,但是不意味着List集合是List父类，
        List<Animal> animals = new ArrayList<>();
        List<Cat> cats = new ArrayList<>();
        
        //下面这行代码会编译失败，编译器无法推断出List是List的子类
        animals = cats; // incompatible types
    }
}

为了解决上面描述的问题，泛型的通配符就派上用途了。泛型通配符分为三种类型：

• 无边界配符(Unbounded Wildcards)
  < ? >就是无边界通配符，比如List list表示持有某种特定类型对象的List，但是不知道是哪种类型,所以不能add任何类型的对象。它与List list并不相同，List list是表示持有Object类型对象的List，可以add任何类型的对象。

• 上边界限定的通配符(Upper Bounded wildcards)

  , E指是就是该泛型的上边界，表示泛型的类型只能是E类或者E类的子类 ,这里虽然用的是extends关键字, 却不仅限于继承了E的子类, 也可以代指接口E的实现类。

   public static void main(String[] args) {

        // 限定了泛型类只能是Animal或其子类对象的List
        List<? extends Animal> animals = new ArrayList<>();
        List<Cat> cats = new ArrayList<>();
        //下面代码不会报错，二者引用可以赋值
        animals = cats;
        //但是集合中无法add元素，因为无法确定持有的实际类型，
        animals.add(new Cat());//error
        //从集合中获取对象是是可以的,因为在这个List中，不管实际类型是什么，肯定都能转型为Animal
        Animal animal = animals.get(0);
    }

• 下边界限定的通配符(Lower Bounded wildcards)

  ,表示泛型的类型只能是E类或者E类的父类,List list表示某种特定类型（Integer或者Integer的父类）对象的List。可以确定这个List持有的对象类型肯定是Integer或者其父类。

        //某种特定类型（Integer或者Integer的父类）对象的List
        List<? super Integer> list = new ArrayList<>();
        //往list里面add一个Integer或者其子类的对象是安全的，
        //因为Integer或者其子类的对象,都可以向上转型为Integer的父类对象
        list.add(new Integer(1));
        //下面代码编译错误，因为无法确定实际类型，所以往list里面add一个Integer的父类对象是不被允许的
        list.add(new Object());

所以从上面上边界限定的通配符和下边界限定的通配符的特性，可以知道：

• 对于上边界限定的通配符 ，无法向其中加入任何对象，但是可以从中正常取出对象。
• 对于下边界限定的通配符 ,，可以存入subclass对象或者subclass的子类对象，但是取出时只能用Object类型变量指向取出的对象。

四、类型擦除

Java 中的的泛型是伪泛型，这是因为泛型信息只存在于代码编译阶段，编译后与泛型相关的信息会被擦除掉，称为类型擦除(type erasure)。
编译器在编译期，会将泛型转化为原生类型。并在相应的地方插入强制转型的代码。什么是原生类型呢？原生类型就是删去类型参数后泛型类的类型名,比如：

   List<String> stringList = new ArrayList<String>();
   List<Integer> integerList = new ArrayList<Integer>();
   //下面的结果为true,因为类型擦除后，二者原生类型都是List
   System.out.println(stringList.getClass() == integerList.getClass());

如果泛型参数中，有限定符则会使用 第一个限定符的类型来替换，比如

class Box <T extends Number> {
    private T content;
   
}

类型擦除后的原生类型变为其限定符类型：

class Box{
    private Number content;
}

总结

泛型所涵盖内容不止这么多，希望通过本文对你了解JAVA中泛型有所帮助。