扒一拔:Java 中的泛型(一)

文章目录

  • 1 泛型
    • 1.1 为什么需要泛型
    • 1.2 类型参数命名规约
  • 2 泛型的简单实用
    • 2.1 最基本最常用
    • 2.2 简单泛型类
      • 2.2.1 非泛型类
      • 2.2.2 泛型类的定义
      • 2.2.3 泛型类的使用
    • 2.3 简单泛型接口
    • 2.3.1 定义
    • 2.3.2 实现
    • 2.4 简单泛型方法
      • 2.4.1 泛型方法声明
      • 2.4.2 泛型方法的调用
  • 3 类型变量边界
      • 3.1 定义
      • 3.2 示例
  • 4 泛型, 继承和子类型
    • 4.1 泛型和继承
    • 4.2 泛型和子类型
  • 5 类型推断
    • 5.1 类型推断和泛型方法
    • 5.2 泛型类的类型推断和实例化
    • 5.3 类的类型推断和构造函数
    • 5.4 类型推断和目标类型
  • 6 通配符
    • 6.1 设定通配符的下限
    • 6.2 设定通配符的下限
    • 6.3 未限定的通配符
    • 6.4 通配符和子类型
    • 6.5 通配符捕获
  • 7 类型擦除
    • 7.1 类型擦除
    • 7.2 类型擦除和桥接方法

1 泛型

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。

1.1 为什么需要泛型

泛型是JDK1.5才出来的, 在泛型没出来之前, 我们可以看看集合框架中的类都是怎么样的。

以下为JDK1.4.2的 HashMap

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可以看到, 在该版本中, 参数和返回值(引用类型)的都是 Object 对象。 而在 Java 中, 所有的类都是 Object 子类, 实用时, 可能需要进行强制类型转换。 这种转换在编译阶段并不会提示有什么错误, 因此, 在使用时, 难免会出错。

而有了泛型之后,HashMap的中使用泛型来进行类型的检查

扒一拔:Java 中的泛型(一)_第2张图片

通过泛型, 我们可以传入相同的参数又能返回相同的参数, 由编译器为我们来进行这些检查。

这样可以减少很多无关代码的书写。

因此, 泛型可以使得类型参数化, 泛型有如下的好处

  1. 类型参数化, 实现代码的复用
  2. 强制类型检查, 保证了类型安全,可以在编译时就发现代码问题, 而不是到在运行时才发现错误
  3. 不需要进行强制转换。

1.2 类型参数命名规约

按照惯例,类型参数名称是单个大写字母。 通过规约, 我们可以容易区分出类型变量和普通类、接口。

  • E - 元素
  • T - 类型
  • N - 数字
  • K - 键
  • V - 值
  • S,U,V - 第2种类型, 第3种类型, 第4种类型

2 泛型的简单实用

2.1 最基本最常用

最早接触的泛型, 应该就是集合框架中的泛型了。

List list = new ArrayList();
 
list.add(100086);     //OK
 
list.add("Number"); //编译错误 

在以上的例子中, 将 String 加入时, 会提示错误。 编译器不会编译通过, 从而保证了类型安全。

2.2 简单泛型类

2.2.1 非泛型类

先来定义一个简单的类

public class SimpleClass {
    private Object obj;

    public Object getObj() {
        return obj;
    }

    public void setObj(Object obj) {
        this.obj = obj;
    }
}

这么写是没问题的。 但是在使用上可能出现如下的错误:

    public static void main(String[] args) {
        SimpleClass simpleClass = new SimpleClass();
        simpleClass.setObj("ABC");// 传入 String 类型
        Integer a = (Integer) simpleClass.getObj(); // Integer 类型接受
    }

以上写是不会报错的, 但是在运行时会出现报错

java.lang.ClassCastException

如果是一个人使用, 那确实有可能会避免类似的情况。 但是, 如果是多人使用, 则你不能保证别人的用法是对的。 其存在着隐患。

2.2.2 泛型类的定义

我们可以使用泛型来强制类型限定

public class GenericClass {
    private T obj;

    public T getObj() {
        return obj;
    }

    public void setObj(T obj) {
        this.obj = obj;
    }
}

2.2.3 泛型类的使用

在使用时, 在类的后面, 使用尖括号指明参数的类型就可以

    @Test
    public void testGenericClass(){
        GenericClass genericClass = new GenericClass<>();
        genericClass.setObj("AACC");
    /*    Integer str = genericClass.getObj();//*/
    }

如果类型不符, 则编译器会帮我们发现错误, 导致编译不通过。

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2.3 简单泛型接口

2.3.1 定义

与类相似, 以 JDK 中的 Comparable接口为例

package java.lang;
import java.util.*;

public interface Comparable {
    public int compareTo(T o);
}

2.3.2 实现

在实现时, 指定具体的参数类型即可。

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable, CharSequence {
    ...
    public int compareTo(String anotherString) {
        byte v1[] = value;
        byte v2[] = anotherString.value;
        if (coder() == anotherString.coder()) {
            return isLatin1() ? StringLatin1.compareTo(v1, v2)
                              : StringUTF16.compareTo(v1, v2);
        }
        return isLatin1() ? StringLatin1.compareToUTF16(v1, v2)
                          : StringUTF16.compareToLatin1(v1, v2);
     }
     ...
    
}

2.4 简单泛型方法

泛型方法可以引入自己的参数类型, 如同声明泛型类一样, 但是其类型参数我的范围只是在声明的方法本身。 静态方法和非静态方法, 以及构造函数都可以使用泛型。

2.4.1 泛型方法声明

泛型方法的声明, 类型变量放在修饰符之后, 在返回值之前

public class EqualMethodClass {
    public static  boolean equals(T t1, T t2){
        return t1.equals(t2);
    }
}

如上所示, 其中 是不能省略的。 而且可以是多种类型, 如

public class Util {
    public static  boolean sameType(K k, V v) {
        return k.getClass().equals(v.getClass());
    }
}

2.4.2 泛型方法的调用

调用时, 在方法之前指定参数的类型

    @Test
    public void equalsMethod(){
        boolean same = EqualMethodClass.equals(1,1);
        System.out.println(same);
    }

3 类型变量边界

3.1 定义

如果我们需要指定类型是某个类(接口)的子类(接口)


使用 extends , 表示 TBundingType 的子类, 两者都可以是类或接口。

此处的 extends 和继承中的是不一样的。

如果有多个边界限定:

 

使用的是 & 符号。

注意事项

如果边界类型中有类, 则类必须是放在第一个

也就是说

  // 编译错误

会报错

3.2 示例

有时, 我们需要对类型进行一些限定, 比如说, 我们要获取数组的最小元素

public class ArrayUtils {
    public static  T min(T[] arr) {
        if (arr == null || arr.length == 0) {
            return null;
        }
        T smallest = arr[0];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            if (smallest.compareTo(arr[i]) > 0) {
                smallest = arr[i];
            }
        }
        return smallest;
    }
}

上面的是报错的。 因为, 在该函数中, 我们需要使用 compareTo 函数, 但是, 并不是所欲的类都有这个函数的。 因此, 我们可以这样子限定

转换成 > 即可。

测试

    @Test
    public void testMin() {
        Integer a[] = {1, 4, 5, 6, 0, 2, -1};
        Assertions.assertEquals(ArrayUtils.min(a), Integer.valueOf(-1));

    }

4 泛型, 继承和子类型

4.1 泛型和继承

在 Java 继承中, 如果变量 A 是 变量 B 的子类, 则我们可以将 A 赋值给 B。 但是, 在泛型中则不能进行类似的赋值。

对继承来说, 我们可以这样做

public class Box {
    List boxs = new ArrayList<>();

    public void add(T element) {
        boxs.add(element);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Box box = new Box();
        box.add(new Integer(10));   // OK
        box.add(new Double(10.1));  // OK
    }
}

但是, 在泛型中, Box 不能赋值给 Box(即两个不是子类或父类的关系)。

扒一拔:Java 中的泛型(一)_第4张图片

可以使用下图来进行阐释
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注意:

对于给定的具体类型 A 和 B(如 Number 和 Integer), MyClassMyClass 没有任何的关系, 不管 A 和 B 之间是否有关系。

4.2 泛型和子类型

在 Java 中, 我们可以通过继承或实现来获得一个子类型。 以 Collection 为例

扒一拔:Java 中的泛型(一)_第6张图片

由于 ArrayList 实现了List, 而 List 继承了Collection。 因此, 只要类型参数没有更改(如都是 String 或 都是 Integer), 则类型之间子父类关系会一直保留。

5 类型推断

类型推断并不是什么高大上的东西, 我们日常中其实一直在用到。它是 Java 编译器的能力, 其查看每个方法调用和相应声明来决定类型参数, 以便调用时兼容。

值得注意的是, 类型推断算法仅仅是在调用参数, 目标类型和明显的预期返回类型时使用

5.1 类型推断和泛型方法

在下面的泛型方法中

public class Box {
    private T t;

    public void set(T t) { this.t = t; }
    public T get() { return t; }

}

public class BoxDemo {

  public static  void addBox(U u, 
       List> boxes) {
    Box box = new Box<>();
    box.set(u);
    boxes.add(box);
  }

  public static  void outputBoxes(List> boxes) {
    int counter = 0;
    for (Box box: boxes) {
      U boxContents = box.get();
      System.out.println("Box #" + counter + " contains [" +
             boxContents.toString() + "]");
      counter++;
    }
  }

  public static void main(String[] args) {
    ArrayList> listOfIntegerBoxes =
      new ArrayList<>();
    BoxDemo.addBox(Integer.valueOf(10), listOfIntegerBoxes);
    BoxDemo.addBox(Integer.valueOf(20), listOfIntegerBoxes);
    BoxDemo.addBox(Integer.valueOf(30), listOfIntegerBoxes);
    BoxDemo.outputBoxes(listOfIntegerBoxes);
  }
}

输出

Box #0 contains [10]
Box #1 contains [20]
Box #2 contains [30]

我们可以看到, 泛型方法 addBox 中定义了一个类型参数 U, 在泛型方法的调用时, Java 编译器可以推断出该类型参数。 因此, 很多时候, 我们不需要指定他们。

如上面的例子, 我们可以显示的指出

 BoxDemo.addBox(Integer.valueOf(10), listOfIntegerBoxes);

也可以省略, 这样, Java 编译器可以从方法参数中推断出

BoxDemo.addBox(Integer.valueOf(20), listOfIntegerBoxes);

由于方法参数是 Integer, 因此, 可以推断出类型参数就是 Integer。

5.2 泛型类的类型推断和实例化

这是我们最常用到的类型推断了: 将构造函数中的类型参数替换成<>>(该符号被称为“菱形(The diamond)”), 编译器可以从上下文中推断出该类型参数。

比如说, 正常情况先, 我们是这样子声明的

Map> myMap = new HashMap>();

但是, 实际上, 构造函数的类型参数是可以推断出来的。 因此, 这样子写即可

Map> myMap = new HashMap<>();

但是, 不能将 <> 去掉, 否则编译器会报警告。

Map> myMap = new HashMap(); // 警告

警告

5.3 类的类型推断和构造函数

在泛型类和非泛型类中, 构造函数都是可以声明自己的类型参数的。

class MyClass {
   MyClass(T t) {
    // ...
  }

  public static void main(String[] args) {
    MyClass myObject = new MyClass<>("");
  }
}

在以上代码 main 函数中,X 对应的类型是 Integer, 而 T 对应的类型是 String

那么, 菱形 <> 对应的是 X 还是 T 呢?

在 Java SE 7 之前, 其对应的是构造函数的类型参数。 而在 Java SE 7及以后, 其对应的是类的类型参数。

也就是说, 如果类不是泛型, 则代码是这样子写的

class MyClass{
   MyClass(T t) {
    // ...
  }

  public static void main(String[] args) {
    MyClass myObject = new MyClass("");
  }
}

T 的实际类型, 编译器根据方法的参数推断出来。

5.4 类型推断和目标类型

Java 编译器利用目标类型来推断泛型方法调用的类型参数。 表达式的目标类型就是 Java 编译器所期望的数据类型, 根据该数据类型, 我们可以推断出泛型方法的类型。

Collections 中的方法为例

static  List emptyList();

我们在赋值时, 是这样子

List listOne = Collections.emptyList();

该表达式想要得到 List 的实例, 那么, 该数据类型就是目标类型。 由于 emptyList 的返回值是 List, 因此, 编译器就推断, T对应的实际类型就是 String

当然, 我们也可以显示的指定该类型参数

List listOne = Collections.emptyList();

6 通配符

在泛型中, 使用 ? 作为通配符, 其代表的是未知的类型。

6.1 设定通配符的下限

有时候, 我们想写一个方法, 它可以传递 List, ListList。 此时, 可以使用通配符来帮助我们了。

设定通配符的上限

使用?, 其后跟随着 extends, 再后面是 BundingType(即上边界)


示例

class MyClass{
  public static void process(List list) {
    for (Number elem : list) {
      System.out.println(elem.getClass().getName());
    }
  }
  public static void main(String[] args) {
    List integers = new LinkedList<>(Arrays.asList(1));
    List doubles = new LinkedList<>(Arrays.asList(1.0));
    List numbers = new LinkedList<>(Arrays.asList(1));
    process(integers);
    process(doubles);
    process(numbers);
  }
}

输出

java.lang.Integer
java.lang.Double
java.lang.Integer

也就是说, 我们通过通配符, 可以将List, ListList作为参数传递到同一个函数中。

6.2 设定通配符的下限

上限通配符是限定了参数的类型是指定的类型或者是其子类, 使用 extends 来进行。

而下限通配符, 使用的是 super 关键字, 限定了未知的类型是指定的类型或者其父类。

设定通配符的下限


? 后跟着 super, 在跟上对应的边界类型。

示例

  public static void addNumbers(List list) {
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
      list.add(i);
    }
  }

对于该方法, 由于我们是要将整型添加到列表中, 因此, 需要传入的列表必须是整型或者其父类。

6.3 未限定的通配符

当然, 我们也可以使用未限定的通配符。 如List, 表示未知类型的列表。

使用通配符的情景

  1. 所写的方法需要使用 Object 类所提供的功能
  2. 所写的方法, 不依赖于具体的类型参数。 比较常见的是反射中, 用Class而非Class, 因为绝大部分方法都不依赖于具体的类型。

那么, 为什么不使用 List 进行替代呢?

public static void printList(List list) {
    for (Object elem : list)
        System.out.println(elem + " ");
    System.out.println();
}
 
  

在以上的方法中, 我们想带引出列表的各项。 但是以上的函数只能输出的是 Object 的实例(我们只能传入List, 而不是 List等, 因为不是子类和父类的关系)。

而更改为通配符之后

public static void printList(List list) {
    for (Object elem: list)
        System.out.print(elem + " ");
    System.out.println();
}

我们可以传入任意的 List.

  public static void main(String[] args) {
    List integers = new LinkedList<>(Arrays.asList(1));
    List doubles = new LinkedList<>(Arrays.asList(1.0));
    List numbers = new LinkedList<>(Arrays.asList(1));
    printList(integers);
    printList(doubles);
    printList(numbers);
  }

以上的代码运行正常。

6.4 通配符和子类型

在泛型和子类型中, 我们论证了

对于给定的具体类型 A 和 B(如 Number 和 Integer), MyClassMyClass 没有任何的关系, 不管 A 和 B 之间是否有关系

但是, 通配符可以在类或接口之间创建关系。 实现了子类和父类的关系。 因为 IntegerNumber的子类, 因此, 可以有如下的关系。

扒一拔:Java 中的泛型(一)_第7张图片

正因为如此, 我们在前面进行参数传递时, 才可以进行多种类型参数的传递。

6.5 通配符捕获

我们想编写一个方法, 该方法

public class WildcardError {

    void foo(List i) {
        ? t = i.get(0); // 错误
        i.set(0, t);
    }
}

我们需要取得传入的类型, 但是, 在编写时, 不能使用 “?” 来作为一种类型。 此时, 我们可以使用类型捕获来解决干问题。

public class WildcardError {

    void foo(List i) {
        fooHelper(i);
    }
    private  void fooHelper(List l) {
         T t = l.get(0); // 错误
        l.set(0, t);
    }

}

在此过程中, fooHelper 是泛型方法, 而 foo 方法不是, 它具有固定类型的参数。 在此情况下, T 捕获通配符。 它不知道具体的类型是哪一个, 但是, 这是一个明确的类型。

惯例上, helper 方法, 被命名为 xxxHelper。

7 类型擦除

为了实现泛型, 编译器使用类型擦除:

  1. 替换所有的类型为其边界类或 没有边界则为 Object。 因此, 其所产生的字节码, 仅仅 包含的是原始的类,接口, 方法。
  2. 在必要的地方插入类型转换以保证类型安全
  3. 生成桥接方法以保留扩展泛型类型的多态。

也就是说, 经过编译之后, 任何的类型都会被擦除。 因此, ListList在运行时是一样的类型, 进行类型擦除之后, 都是 List

7.1 类型擦除

定义一个泛型类

public class Node {

    private T data;
    private Node next;

    public Node(T data, Node next) {
        this.data = data;
        this.next = next;
    }

    public T getData() { return data; }

    public static void main(String[] args) {
        Node node = new Node<>("11", null);
        System.out.println(node.getData());
    }
}

对其进行反编译, 可以获得:

public class Node
{

	private Object data;
	private Node next;

	public Node(Object data, Node next)
	{
		this.data = data;
		this.next = next;
	}

	public Object getData()
	{
		return data;
	}

	public static void main(String args[])
	{
		Node node = new Node("11", null);
		System.out.println((String)node.getData());
	}
}

可以看到, 类型已经被替换成 Object, 然后在 main 方法中, 将 Object 转换为 String, 因为我们传入的是 String 类型。

同理, 将

public class Node {

替换为

public class Node {

则, 反编译后, 替换 T 为边界类型

public class Node
{

	private Serializable data;
	private Node next;

	public Node(Serializable data, Node next)
	{
		this.data = data;
		this.next = next;
	}

	public Serializable getData()
	{
		return data;
	}

	public static void main(String args[])
	{
		Node node = new Node("11", null);
		System.out.println((String)node.getData());
	}
}

方法的类型擦除也是一样的。

7.2 类型擦除和桥接方法

正因为有类型擦除的存在, 因此, 任何在运行时需要知道确切类型信息的操作都无法工作。

有时候也会导致一些我们无法预料到的情况。

在方法的重写时, 我们会遇到这样的情况

声明一个泛型类

public class Node {

    public T data;

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

    public T getData() {
        return data;
    }
    public void setData(T data) {
        System.out.println("Node.setData");
        this.data = data;
    }
}

继承泛型类, 并指明了它的类型为 Integer

public class MyNode extends Node {

    public MyNode(Integer data) {
        super(data);
    }

    @Override
    public Integer getData() {
        return super.getData();
    }

    @Override
    public void setData(Integer data) {
        super.setData(data);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Class clazz = MyNode.class;
        for (Method m:
             clazz.getDeclaredMethods()) {
            System.out.println(m + ":" + m.isBridge());
        }
    }
}

那么, 这个时候, 由于类型擦除,Node 类变成了这样子

public class Node
{

	public Object data;

	public Node(Object data)
	{
		this.data = data;
	}

	public Object getData()
	{
		return data;
	}

	public void setData(Object data)
	{
		System.out.println("Node.setData");
		this.data = data;
	}
}

那么问题就出现了。 如果没有任何的情况, 对于 setData 方法来说, 在父类中

	public void setData(Object data)
	{
		System.out.println("Node.setData");
		this.data = data;
	}

在子类中

    public void setData(Integer data) {
        super.setData(data);
    }

显然, 这两个方法并不是重写的关系。

为了解决这个问题, 以便在泛型擦除之后保持多态性, 编译器会产生桥接方法, 以保证子类运行时正确的。

生成的桥接方法:

public volatile void setData(Object obj){
		setData((Integer)obj);
}

先写到这吧, 后面在继续深入。已经太长了!

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