Java 泛型详解

引言

　　泛型是Java中一个非常重要的知识点，在Java集合类框架中泛型被广泛应用。本文我们将从零开始来看一下Java泛型的设计，将会涉及到通配符处理，以及让人苦恼的类型擦除。

　泛型基础

　　泛型类

　　我们首先定义一个简单的Box类：

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

　　这是最常见的做法，这样做的一个坏处是Box里面现在只能装入String类型的元素，今后如果我们需要装入Integer等其他类型的元素，还必须要另外重写一个Box，代码得不到复用，使用泛型可以很好的解决这个问题。

public class Box {
    // T stands for "Type"
    private T t;
    public void set(T t) { this.t = t; }
    public T get() { return t; }
}

　　这样我们的Box类便可以得到复用，我们可以将T替换成任何我们想要的类型：

Box integerBox = new Box();
Box doubleBox = new Box();
Box stringBox = new Box();

　　泛型方法

　　看完了泛型类，接下来我们来了解一下泛型方法。声明一个泛型方法很简单，只要在返回类型前面加上一个类似的形式就行了：

public class Util {
    public static  boolean compare(Pair p1, Pair p2) {
        return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
               p1.getValue().equals(p2.getValue());
    }
}
public class Pair {
    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; }
}

　　我们可以像下面这样去调用泛型方法：

Pair p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.compare(p1, p2);

　　或者在Java1.7/1.8利用type inference，让Java自动推导出相应的类型参数：

Pair p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.compare(p1, p2);

　　边界符

　　现在我们要实现这样一个功能，查找一个泛型数组中大于某个特定元素的个数，我们可以这样实现：

public static  int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
    int count = 0;
    for (T e : anArray)
        if (e > elem)  // compiler error
            ++count;
    return count;
}

　　但是这样很明显是错误的，因为除了short, int, double, long, float, byte, char等原始类型，其他的类并不一定能使用操作符>，所以编译器报错，那怎么解决这个问题呢？答案是使用边界符。

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

　　做一个类似于下面这样的声明，这样就等于告诉编译器类型参数T代表的都是实现了Comparable接口的类，这样等于告诉编译器它们都至少实现了compareTo方法。

public static > int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
    int count = 0;
    for (T e : anArray)
        if (e.compareTo(elem) > 0)
            ++count;
    return count;
}

　通配符

　　在了解通配符之前，我们首先必须要澄清一个概念，还是借用我们上面定义的Box类，假设我们添加一个这样的方法：

public void boxTest(Box n) { /* ... */ }

　　那么现在Box n允许接受什么类型的参数？我们是否能够传入Box或者Box呢？答案是否定的，虽然Integer和Double是Number的子类，但是在泛型中Box或者Box与Box之间并没有任何的关系。这一点非常重要，接下来我们通过一个完整的例子来加深一下理解。

　　首先我们先定义几个简单的类，下面我们将用到它：

class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}
class Orange extends Fruit {}

　　下面这个例子中，我们创建了一个泛型类Reader，然后在f1()中当我们尝试Fruit f = fruitReader.readExact(apples);编译器会报错，因为List与List之间并没有任何的关系。

public class GenericReading {
    static List apples = Arrays.asList(new Apple());
    static List fruit = Arrays.asList(new Fruit());
    static class Reader {
        T readExact(List list) {
            return list.get(0);
        }
    }
    static void f1() {
        Reader fruitReader = new Reader();
        // Errors: List cannot be applied to List.
        // Fruit f = fruitReader.readExact(apples);
    }
    public static void main(String[] args) {
        f1();
    }
}

　　但是按照我们通常的思维习惯，Apple和Fruit之间肯定是存在联系，然而编译器却无法识别，那怎么在泛型代码中解决这个问题呢？我们可以通过使用通配符来解决这个问题：

static class CovariantReader {
    T readCovariant(List list) {
        return list.get(0);
    }
}
static void f2() {
    CovariantReader fruitReader = new CovariantReader();
    Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);
    Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);
}
public static void main(String[] args) {
    f2();
}

　　这样就相当与告诉编译器， fruitReader的readCovariant方法接受的参数只要是满足Fruit的子类就行(包括Fruit自身)，这样子类和父类之间的关系也就关联上了。

　　PECS原则

　　上面我们看到了类似的用法，利用它我们可以从list里面get元素，那么我们可不可以往list里面add元素呢？我们来尝试一下：

public class GenericsAndCovariance {
    public static void main(String[] args) {
        // Wildcards allow covariance:
        List flist = new ArrayList();
        // Compile Error: can't add any type of object:
        // flist.add(new Apple())
        // flist.add(new Orange())
        // flist.add(new Fruit())
        // flist.add(new Object())
        flist.add(null); // Legal but uninteresting
        // We Know that it returns at least Fruit:
        Fruit f = flist.get(0);
    }
}

　　答案是否定，Java编译器不允许我们这样做，为什么呢？对于这个问题我们不妨从编译器的角度去考虑。因为List flist它自身可以有多种含义：

List flist = new ArrayList();
List flist = new ArrayList();
List flist = new ArrayList();

• 当我们尝试add一个Apple的时候，flist可能指向new ArrayList();

• 当我们尝试add一个Orange的时候，flist可能指向new ArrayList();

• 当我们尝试add一个Fruit的时候，这个Fruit可以是任何类型的Fruit，而flist可能只想某种特定类型的Fruit，编译器无法识别所以会报错。

　　所以对于实现了的集合类只能将它视为Producer向外提供(get)元素，而不能作为Consumer来对外获取(add)元素。

　　如果我们要add元素应该怎么做呢？可以使用：

public class GenericWriting {
    static List apples = new ArrayList();
    static List fruit = new ArrayList();
    static  void writeExact(List list, T item) {
        list.add(item);
    }
    static void f1() {
        writeExact(apples, new Apple());
        writeExact(fruit, new Apple());
    }
    static  void writeWithWildcard(List list, T item) {
        list.add(item)
    }
    static void f2() {
        writeWithWildcard(apples, new Apple());
        writeWithWildcard(fruit, new Apple());
    }
    public static void main(String[] args) {
        f1(); f2();
    }
}

　　这样我们可以往容器里面添加元素了，但是使用super的坏处是以后不能get容器里面的元素了，原因很简单，我们继续从编译器的角度考虑这个问题，对于List list，它可以有下面几种含义：

List list = new ArrayList();
List list = new ArrayList();
List list = new ArrayList