高级java每日一道面试题-2024年8月30日-基础篇-你对泛型了解多少?

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面试官: 你对泛型了解多少?

我回答:

泛型的基本概念

泛型是一种编程语言特性，它允许在类、接口或方法定义时使用类型参数（Type Parameters）。类型参数允许在编译时指定具体的类型，从而避免了运行时类型检查和转换带来的性能开销，并且增强了代码的类型安全性。

语法

• 类型参数通常用大写字母表示，如 T、E 等。
• 在类或接口定义时，类型参数放在类名或接口名后面，用尖括号包围。
• 在方法定义时，类型参数放在方法返回类型前面，同样用尖括号包围。

泛型的好处

• 类型安全：通过泛型，你可以在编译时检查类型错误，而不是在运行时。
• 消除类型转换：使用泛型后，大多数情况下都不需要再进行显式的类型转换。
• 更高的代码复用率：可以编写更加通用的代码，适用于多种数据类型。
• 更好的可读性：使用泛型可以使代码更加清晰，更容易理解。

泛型的使用

泛型类

泛型类是在类定义时声明一个或多个类型参数（type parameters），然后在类中使用这些类型参数来定义成员变量、方法等的类型。

public class Box<T> {
    private T t;

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

    public T get() {
        return t;
    }
}

泛型接口

泛型接口和泛型类类似，也是在接口定义时声明一个或多个类型参数。

public interface Pair<K, V> {
    public K getKey();
    public V getValue();
}

泛型方法

泛型方法不仅限于泛型类或泛型接口，也可以在非泛型类或非泛型接口中定义。泛型方法在其返回类型前声明一个或多个类型参数。

public class Util {
    // 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());
    }
}

泛型的类型擦除

Java中的泛型是通过类型擦除来实现的。这意味着泛型信息只存在于编译时期，在进入JVM之前，与泛型相关的信息会被擦除掉。例如，List和List在运行时都会被擦除成List，它们之间并没有区别。为了解决这个问题，Java引入了类型转换的强制检查，以及自动装箱和拆箱等机制。

示例

List<Integer> intList = new ArrayList<>();
List<String> stringList = new ArrayList<>();

// 编译器允许，但运行时会抛出ClassCastException
intList = stringList; // 错误使用

泛型与继承

泛型与继承一起使用时，需要注意子类的类型参数不能比父类的类型参数更具体（逆变类型参数），但可以有更宽松的限制（协变返回类型）。

• 类型参数的继承：在泛型类或接口中，可以指定类型参数继承自某个特定的类或接口。
• 类型通配符的继承：使用上限通配符时，可以指定类型参数继承自某个特定的类或接口。
• 协变（Covariance）：List，表示可以接受 T 或其子类型的列表。
• 逆变（Contravariance）：List，表示可以接受 T 或其超类型的列表。
• ：类型参数必须是 SomeClass 的子类或其本身。
• ：类型参数必须是 SomeInterface 的实现类。
• ：类型参数必须同时继承 SomeClass 并实现 SomeInterface。

示例

// 泛型类继承
public class Box<T extends Comparable<T>> {
    // 类实现
}

// 使用上限通配符
public void processBox(Box<? extends Integer> box) {
    // 方法实现
}

泛型与类型推理

Java 7 以后引入了类型推理（Type Inference），允许省略显式的类型参数，提高代码简洁性。

示例

List<String> list = new ArrayList<>(); // 类型推理

通配符

通配符（Wildcards）是泛型中的一种特殊类型参数，它用于表示未知类型。通配符主要有三种形式：

• 无界通配符：?，表示任何类型。
• 上限通配符：? extends Type，表示未知类型但一定是某个类型的子类型。
• 下限通配符：? super Type，表示未知类型但一定是某个类型的超类型。

示例

// 使用无界通配符
public void printBoxContents(Box<?> box) {
    System.out.println(box.getItem());
}

// 使用上限通配符
public void copyItems(Box<? extends Number> source, Box<Number> target) {
    target.setItem(source.getItem());
}

// 使用下限通配符
public void processBoxes(Box<? super Integer> box) {
    box.setItem(10); // 只能设置Integer或其子类型
}

泛型与原始类型

如果不指定泛型参数的类型，则称为原始类型（Raw Type）。使用原始类型会导致泛型的好处（如类型安全）丢失，因此在编写新代码时应尽量避免使用原始类型。

泛型与数组

Java 中的泛型不支持创建泛型数组，因为这会导致类型擦除问题。可以通过使用对象数组来绕过这一限制。

示例

public class GenericArray<T> {
    private Object[] array;

    public GenericArray(int size) {
        array = new Object[size];
    }

    public void set(int index, T value) {
        array[index] = value;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public T get(int index) {
        return (T) array[index];
    }
}

泛型与反射

由于类型擦除，使用反射操作泛型时会遇到一些限制。例如，在运行时无法获取到泛型参数的具体类型信息。

泛型限制

• 泛型不能使用基本数据类型： Java 泛型只支持对象类型，因此不能直接使用 int、char 等基本数据类型，需要使用对应的包装类，如 Integer、Character。
• 不能实例化泛型类型： 你不能直接创建泛型类型的实例，例如 new T() 是非法的。通常，你可以使用工厂模式或者其他方法来实例化泛型对象。
• 类型擦除： Java 泛型在编译时使用类型擦除机制，实际运行时所有泛型类型参数都被擦除为它们的限定类型（如 Object）。这意味着在运行时泛型信息不可用，因此无法使用泛型信息进行反射或其他操作。

应用场景

• 集合框架： 泛型在 Java 集合框架中广泛使用，提供了类型安全的集合类，如 ArrayList、HashMap 等。
• 工具类：如 Arrays.asList()、Collections.sort() 等。
• 通用算法： 泛型可以用于编写通用的算法和数据结构，如排序算法和栈、队列等数据结构，可以处理不同类型的数据。

泛型使 Java 的集合类和其他 API 更加灵活和强大，同时保持了类型安全性。

总结

• 泛型是 Java 编程语言中的一项重要特性，它提高了代码的类型安全性、可读性和可维护性。掌握泛型的基本概念、语法以及进阶话题，对于编写高质量的 Java 代码至关重要。在实际开发中，合理使用泛型可以避免很多潜在的类型错误，并且使代码更加灵活和通用。