如何正确使用泛型?

前言

Java 1.5之前是没有泛型的,以前从集合中读取每个对象都必须先进行转换,如果不小心存入集合中对象类型是错的,运行过程中转换处理会报错。有了泛型之后编译器会自动帮助转换,使程序更加安全,但是要正确使用泛型才能取得事半功倍的效果。

本文主要从不要使用原生类型,泛型方法,限制通配符,类型安全的异构容器四个部分来说明如何正确使用Java泛型。主要参考资料《Effective Java》

一、不要使用原生态类型

1. 什么是原生态类型?

原生态类型(Raw type),即不带任何实际类型参数的泛型名称。如与List对应的原生态类型List。不推荐List list = new ArrayList()这样的方式,主要就会丢掉安全性(为什么不安全呢?具体请往下看),应使用List list = new ArrayList()明确类型。或者使用List(那么List与List有啥区别呢?具体可以看泛型的子类型规则部分)

2. 为什么不推荐使用原生态类型?

当我们使用原生态类型List创建一个集合,并往其中放入Stamp类与Coin类,并迭代循环获取List集合中的元素。

public class RawType_Class {

    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList<>();
        list.add(new Stamp());
        list.add(new Coin());
        for (Iterator i = list.iterator(); i.hasNext();) {
            Stamp stamp = i.next();
        }
    }

}

此时必须使用Cast强转,否则编译会报错,在编译期报错对于开发者来说是我们最希望看到的。

如何正确使用泛型?_第1张图片

但是我们根据提示,增加Cast,好了编译是不会报错了,但是运行时期会报错! Exception in thread “main” java.lang.ClassCastException: ,这就对我们开发者来说大大增加了难度。

public class RawType_Class {

    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList<>();
        list.add(new Stamp());
        list.add(new Coin());
        for (Iterator i = list.iterator(); i.hasNext();) {
            Stamp stamp = (Stamp) i.next();
        }
    }

}

由此可见,原生类型是不推荐使用,是不安全的!

问1:那为什么Java还要允许使用原生态类型呢?

*是为了提升兼容性,Java1.5之前已经存在很多的原生态类型的代码,那么为了让代码保持合法,并且能够兼容新代码,因此Java才对原生态类型支持!*

问2:那我们使用List是不是就可以了呢,两个有啥区别呢?

两者都可以插入任意类型的对象。不严格来说,前者原生态类型List逃避了泛型检查,后者参数化类型List明确告诉编译器能够持有任意类型的对象。但是两个的区别主要是泛型存在子类型规则,具体请往下看

3. 泛型的子类型规则

子类型规则,即任何参数化的类型是原生态类型的一个子类型,比如List是原生态类型List的一个子类型,而不是参数化List的子类型。

由于子类型规则的存在,我们可以将List传递给List类型的参数

public static void main(String[] args) {
  List strings = new ArrayList<>();
   unsafeAdd(strings, new Integer(1));
   String s = strings.get(0);
}
private static void unsafeAdd(List list, Object o){
  list.add(o);
}

虽然编译器是没有报错的,但是编译过程会出现以下提示,表明编写了某种不安全的未受检的操作

img

但是我们不能将List传递给List类型参数

public static void main(String[] args) {
  List strings = new ArrayList<>();
   unsafeAdd(strings, new Integer(1));
   String s = strings.get(0);
}
private static void unsafeAdd(List list, Object o){
  list.add(o);
}
 
  

编译后就直接报错,事实上编译器就会自动提示有错误

如何正确使用泛型?_第2张图片

4. 无限制的通配符类型

使用原生态类型是很危险的,但是如果不确定或不关心实际的类型参数,那么在Java 1.5之后Java有一种安全的替换方法,称之为无限制的通配符类型(unbounded wildcard type),可以用一个“?”代替,比如Set表示某个类型的集合,可以持有任何集合。

那么无限制通配类型与原生态类型有啥区别呢?原生态类型是可以插入任何类型的元素,但是无限制通配类型的话,不能添加任何元素(null除外)。

如何正确使用泛型?_第3张图片

问:那么这样的通配符类型有意义吗?因为你并不知道它到底能加入啥样的元素,但是又美其名曰“无限制”。

不能说没有意义,因为它的出现归根结底是为了防止破坏集合类型约束条件,并且可以根据需要使用泛型方法或者有限制的通配符类型(bound wildcard type)接口某些限制,提高安全性。

5. 泛型的可擦除性

我们先看一下代码,看看结果:

public static void main(String[] args) {
    List l1 = new ArrayList();
    List l2 = new ArrayList();
    //  输出为true,擦除后的类型为List
    System.out.println(l1.getClass() == l2.getClass());

}

结果为true,这是因为:泛型信息可以在运行时被擦除,泛型在编译期有效,在运行期被删除,也就是说所有泛型参数类型在编译后都会被清除掉。归根结底不管泛型被参数具体化成什么类型,其class都是RawType.class,比如List.class,而不是List.class或List.class

事实上,在类文字中必须使用原生态类型,不准使用参数化类型(虽然允许使用数组类型和基本类型),也就是List.class、String[].class和int.class都是合法的,而List.class和List.class不合法

二、泛型方法

1、基本概念

之前说过,如果直接使用原生态类型编译过程会有警告,运行过程可能会报异常,是非常不安全的一种方式。

private static Set union(Set s1, Set s2){
        Set result = new HashSet();
        result.add(s2);
        return result;
    }

如果是在方法中使用,为了修正这些警告,使方法变成类型安全的,可以为方法声明一个类型参数。

 private static  Set union(Set s1, Set s2){
        Set result = new HashSet();
        result.add(s2);
        return result;
    }

static后面的就是方法的类型参数,这样的话三个集合的类型(两个输入参数与一个返回值)必须全部相同。这样的泛型方法不需要明确指定类型参数的值,而是通过判断参数的类型计算类型参数的值,对于参数Set而言,编译器自然知道返回的类型参数E也是String,这就是所谓的类型推导(type inference)

如何正确使用泛型?_第4张图片

2、泛型单例工厂

有时候我们需要创建不可变但又适合许多不同类型的对象。之前的单例模式满足不可变,但不适合不同类型对象,这次我们可以利用泛型做到这点。

/**
 * apply方法接收与返回某个类型T的值
 * @param 
 */
public interface UnaryFunction {
    T apply(T arg);
}

现在我们需要一个恒等函数(Identity function,f(x)=x,简单理解输入等于返回的函数,会返回未被修改的参数),如果每次需要的时候都要重新创建一个,这样就会很浪费,如果泛型被具体化了,每个类型都需要一个恒等函数,但是它们被擦除后,就只需要一个泛型单例。

   /**
     * 返回未被修改的参数arg
     */
    private static UnaryFunction IDENTITY_FUNCTION = (Object arg) -> {
        return arg;
    };

    /**
     * 泛型方法identityFunction:
     *      返回类型:UnaryFunction
     *      类型参数列表;
     * 忽略强制转换未受检查的警告:
     * 因为返回未被修改的参数arg,所以我们知道无论T的值是什么,都是类型安全的
     * @param 
     * @return
     */
    @SuppressWarnings("unchacked")
    public static  UnaryFunction identityFunction(){
        return (UnaryFunction) IDENTITY_FUNCTION;
    }
 
  

利用泛型单例编写测试,下面代码不会报任何的警告或错误。

public static void main(String[] args) {
        String[] strings = {"hello","world"};
        UnaryFunction sameString = identityFunction();
        for (String s: strings) {
            System.out.println(sameString.apply(s));
        }
        Number[] numbers = {1,2.0};
        UnaryFunction sameNumber = identityFunction();
        for (Number n: numbers) {
            System.out.println(sameNumber.apply(n));
        }
        UnaryFunction sameAnotherString = identityFunction();
        System.out.println(sameAnotherString.apply(new Stamp()));
    }

返回的都是未被修改的参数

img

3. 递归类型限制

递归类型限制(recursive type bound):通过某个包含该类型本身的表达式来限制类型参数,最普遍的就是与Comparable一起使用。比如

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

类型参数T定义的类型,可以与实现Comparable的类型进行比较,实际上,几乎所有类型都只能与它们自身类型的元素相比较,比如String实现Comparable,Integer实现Comparable

img

实现compareTo方法

如何正确使用泛型?_第5张图片

String之间可以相互使用compareTo比较:

String s1 = "a";
String s2 = "b";
s1.compareTo(s2);

通常为了对列表进行排序,并在其中进行搜索,计算出它的最小值或最大值等,就要求列表中的每个元素都能够与列表中每个其它元素能进行比较,换句话说,列表的元素可以互相比较。往往就需要实现Comparable接口的元素列表。

/**
 * @author jian
 * @date 2019/4/1
 * @description 递归类型限制
 */
public class Recursive_Type_Bound {

    /**
     * 递归类型限制(recursive type bound)
     * >表示可以与自身进行比较的每个类型T,即实现Comparable接口的类型都可以与自身进行比较,可以查看String、Integer源码
     * >类型参数,表示传入max方法的参数必须实现Comparable接口,才能使用compareTo方法
     * @param list
     * @param 
     * @return
     */
    public static > T max(List list) {
        Iterator iterator = list.iterator();
        T result = iterator.next();
        while (iterator.hasNext()) {
            T t = iterator.next();
            if (t.compareTo(result) > 0) {
                result = t;
            }
        }
        return result;
    }

    public static void main(String[] args) {
        List list = Arrays.asList("1","2");
        System.out.println(max(list));
    }
}

三、有限制的通配符类型

之前提到过的无限制的通配符类型就提到过,无限制的通配符单纯只使用"?"(如Set),而有限制的通配符往往有如下形式,通过有限制的通配符类型可以大大提升API的灵活性。

(1)E的某种超类集合(接口):Collection、Interface

(2)E的某个子类集合(接口):Collection、Interface

问1:那么什么时候使用extends关键字,什么什么使用super关键字呢?

有这样一个PECS(producer-extends, consumer-super)原则:如果参数化类型表示一个T生产者,就使用,如果表示消费者就是。可以这样助记

问2:什么是生产者,什么是消费者

1)生产者:产生T不能消费T,针对collection,对每一项元素操作时,此时这个集合时生产者(生产元素),使用Collection。只能读取,不能写入

2)消费者:不能生产T,只消费使用T,针对collection,添加元素collection中,此时集合消费元素,使用Collection,只能添加T的子类及自身,用Object接收读取到的元素

举例说明:生产者

1)你不能在List中add操作,因为你增加Integer可能会指向List,你增加Double可能会指向Integer。根本不能确保列表中最终保存的是什么类型。换句话说Number的所有子类从类关系上来说都是平级的,毫无联系的。并不能依赖类型推导(类型转换),编译器是无法确实的实际类型的!

如何正确使用泛型?_第6张图片

2)但是你可以读取其中的元素,并保证读取出来的一定是Number的子类(包括Number),编译并不会报错,换句话说编译器知道里面的元素都是Number的子类,不管是Integer还是Double,编译器都可以向下转型

如何正确使用泛型?_第7张图片

举例说明:消费者

1)编译器不知道存入列表中的Number的超类具体是哪一个,只能使用Object去接收

如何正确使用泛型?_第8张图片

img

2)但是只可以添加Interger及其子类(因为Integer子类也是Integer,向上转型),不能添加Object、Number。因为插入Number对象可以指向List对象,你插入Object,因为可能会指向List对象

如何正确使用泛型?_第9张图片

注意:Comparable/Comparator都是消费者,通常使用Comparator),可以将上述的max方法进行改造:
 public static > T max(List list) {
        Iterator iterator = list.iterator();
        T result = iterator.next();
        while (iterator.hasNext()) {
            T t = iterator.next();
            if (t.compareTo(result) > 0) {
                result = t;
            }
        }
        return result;
    }

四、类型安全的异构容器

泛型一般用于集合,如Set和Map等,这些容器都是被参数化了(类型已经被具体化了,参数个数已被固定)的容器,只能限制每个容器只能固定数目的类型参数,比如Set只能一个类型参数,表示它的元素类型,Map有两个参数,表示它的键与值。

但是有时候你会需要更多的灵活性,比如关系数据库中可以有任意多的列,如果以类型的方式所有列就好了。有一种方法可以实现,那就是使用将键进行参数化而不是容器参数化,然后将参数化的键提交给容器,来插入或获取值,用泛型来确保值的类型与它的键相符。

我们实现一个Favorite类,可以通过Class类型来获取相应的value值,键可以是不同的Class类型(键Class参数化,而不是Map容器参数化)。利用Class.cast方法将键与键值的类型对应起来,不会出现 favorites.putFavorite(Integer.class, “Java”) 这样的情况。


/**
 * @author jian
 * @date 2019/4/1
 * @description 类型安全的异构容器
 */
public class Favorites {

    private Map, Object> favorites = new HashMap<>();

    public  void putFavorite(Class type, T instance){
        if (type == null) {
            throw new NullPointerException("Type is null");
        }
        favorites.put(type, type.cast(instance));
    }

    public  T getFavorite(Class type){
        return type.cast(favorites.get(type));
    }

}

Favorites实例是类型安全(typesafe)的,你请求String时,不会返回给你Integer,同时也是异构(heterogeneous)的,不像普通map,它的键都可以是不同类型的。因此,我们将Favorites称之为类型安全的异构容器(typesafe heterogeneous container)。

 public static void main(String[] args) {
        Favorites favorites = new Favorites();
        favorites.putFavorite(String.class, "Java");
        favorites.putFavorite(Integer.class, 64);
        favorites.putFavorite(Class.class, Favorites.class);
        String favoriteString = favorites.getFavorite(String.class);
        Integer favoriteInteger = favorites.getFavorite(Integer.class);
        Class favoriteClass = favorites.getFavorite(Class.class);     // 输出 Java 40 Favorites
        System.out.printf("%s %x %s%n", favoriteString, favoriteInteger, favoriteClass.getSimpleName());
    }

Favorites类局限性在于它不能用于在不可具体化的类型中,换句话说你可以保存String,String[],但是你不能保存List,因为你无法为List获取一个Class对象:List.class是错误的,不管是List还是List都会公用一个List.class对象。


  List list = Arrays.asList("1","2");
  List list2 = Arrays.asList(3,4);
  // 只能选一种,不能有List.class或者List.class
  favorites.putFavorite(List.class, list2);
  // favorites.putFavorite(List.class, list)

附1:相关泛型术语

1)参数化的类型:List

2)实际类型参数:String

3)泛型:List

4)形式类型参数:E

5)无限制通配符类型:List

6)原生态类型:List

7)递归类型限制:

8)有限制的通配符类型:List

9)泛型方法:static List union()

10)类型令牌:String.class

**
附2:常用的形式类型参数**

1)T 代表一般的任何类。

2)E 代表 Element 的意思,或者 Exception 异常的意思。

3)K 代表 Key 的意思。

4)V 代表 Value 的意思,通常与 K 一起配合使用。

5)S 代表 Subtype 的意思

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