java泛型基本理解和运用

1. 概述
在引入范型之前，Java类型分为原始类型、复杂类型，其中复杂类型分为数组和类。引入范型后，一个复杂类型
就可以在细分成更多的类型。
例如原先的类型List，现在在细分成List<Object>, List<String>等更多的类型。
注意，现在List<Object>, List<String>是两种不同的类型，
他们之间没有继承关系，即使String继承了Object。下面的代码是非法的
    List<String> ls = new ArrayList<String>();
    List<Object> lo = ls;
这样设计的原因在于，根据lo的声明，编译器允许你向lo中添加任意对象（例如Integer），但是此对象是
List<String>，破坏了数据类型的完整性。
在引入范型之前，要在类中的方法支持多个数据类型，就需要对方法进行重载，在引入范型后，可以解决此问题
（多态），更进一步可以定义多个参数以及返回值之间的关系。
例如
public void write(Integer i, Integer[] ia);
public void write(Double  d, Double[] da);
的范型版本为
public <T> void write(T t, T[] ta);

2. 定义&使用
 类型参数的命名风格为：
 推荐你用简练的名字作为形式类型参数的名字(如果可能，单个字符)。最好避免小写字母，这使它和其他的普通
 的形式参数很容易被区分开来。
 使用T代表类型，无论何时都没有比这更具体的类型来区分它。这经常见于泛型方法。如果有多个类型参数，我们
 可能使用字母表中T的临近的字母，比如S。
 如果一个泛型函数在一个泛型类里面出现，最好避免在方法的类型参数和类的类型参数中使用同样的名字来避免混
 淆。对内部类也是同样。
 
 2.1 定义带类型参数的类
 在定义带类型参数的类时，在紧跟类命之后的<>内,指定一个或多个类型参数的名字，同时也可以对类型参数的取
 值范围进行限定，多个类型参数之间用,号分隔。
 定义完类型参数后，可以在定义位置之后的类的几乎任意地方（静态块，静态属性，静态方法除外）使用类型参数，
 就像使用普通的类型一样。
 注意，父类定义的类型参数不能被子类继承。
 public class TestClassDefine<T, S extends T> {
     ....  
 }
 
 2.2 定义待类型参数方法
 在定义带类型参数的方法时，在紧跟可见范围修饰（例如public）之后的<>内,指定一个或多个类型参数的名字，
 同时也可以对类型参数的取值范围进行限定，多个类型参数之间用,号分隔。
 定义完类型参数后，可以在定义位置之后的方法的任意地方使用类型参数，就像使用普通的类型一样。
 例如：
 public <T, S extends T> T testGenericMethodDefine(T t, S s){
     ...
 }
 注意：定义带类型参数的方法，骑主要目的是为了表达多个参数以及返回值之间的关系。例如本例子中T和S的继
 承关系， 返回值的类型和第一个类型参数的值相同。
 如果仅仅是想实现多态，请优先使用通配符解决。通配符的内容见下面章节。
 public <T> void testGenericMethodDefine2(List<T> s){
     ...
 }
 应改为
 public void testGenericMethodDefine2(List<？> s){
     ...
 }
 
3. 类型参数赋值
 当对类或方法的类型参数进行赋值时，要求对所有的类型参数进行赋值。否则，将得到一个编译错误。
 
 3.1 对带类型参数的类进行类型参数赋值
 对带类型参数的类进行类型参数赋值有两种方式
 第一声明类变量或者实例化时。例如
 List<String> list;
 list = new ArrayList<String>;
 第二继承类或者实现接口时。例如
 public class MyList<E> extends ArrayList<E> implements List<E> {...} 
 
 3.2 对带类型参数方法进行赋值
 当调用范型方法时，编译器自动对类型参数进行赋值，当不能成功赋值时报编译错误。例如
 public <T> T testGenericMethodDefine3(T t, List<T> list){
     ...
 }
 public <T> T testGenericMethodDefine4(List<T> list1, List<T> list2){
     ...
 }
 
 Number n = null;
 Integer i = null;
 Object o = null;
 testGenericMethodDefine(n, i);//此时T为Number, S为Integer
 testGenericMethodDefine(o, i);//T为Object, S为Integer
 
 List<Number> list1 = null;
 testGenericMethodDefine3(i, list1)//此时T为Number
 
 List<Integer> list2 = null;
 testGenericMethodDefine4(list1, list2)//编译报错
 
 3.3 通配符
 在上面两小节中，对是类型参数赋予具体的值，除此，还可以对类型参数赋予不确定值。例如
 List<?> unknownList;
 List<? extends Number> unknownNumberList;
 List<? super Integer> unknownBaseLineIntgerList; 
 注意： 在Java集合框架中，对于参数值是未知类型的容器类，只能读取其中元素，不能像其中添加元素，
 因为，其类型是未知，所以编译器无法识别添加元素的类型和容器的类型是否兼容，唯一的例外是NULL

 List<String> listString;
 List<?> unknownList2 = listString;
 unknownList = unknownList2;
 listString = unknownList;//编译错误
 
4. 数组范型
 可以使用带范型参数值的类声明数组，却不可有创建数组
 List<Integer>[] iListArray;
 new ArrayList<Integer>[10];//编译时错误
 
5. 实现原理

5.1. Java范型时编译时技术，在运行时不包含范型信息，仅仅Class的实例中包含了类型参数的定义信息。
泛型是通过java编译器的称为擦除(erasure)的前端处理来实现的。你可以（基本上就是）把它认为是一个从源
码到源码的转换，它把泛型版本转换成非泛型版本。
基本上，擦除去掉了所有的泛型类型信息。所有在尖括号之间的类型信息都被扔掉了，因此，比如说一个
List<String>类型被转换为List。所有对类型变量的引用被替换成类型变量的上限(通常是Object)。而且，
无论何时结果代码类型不正确，会插入一个到合适类型的转换。
       <T> T badCast(T t, Object o) {
         return (T) o; // unchecked warning
       }
类型参数在运行时并不存在。这意味着它们不会添加任何的时间或者空间上的负担，这很好。不幸的是，这也意味
着你不能依靠他们进行类型转换。

5.2.一个泛型类被其所有调用共享
下面的代码打印的结果是什么？
       List<String> l1 = new ArrayList<String>();
       List<Integer> l2 = new ArrayList<Integer>();
       System.out.println(l1.getClass() == l2.getClass());
或许你会说false，但是你想错了。它打印出true。因为一个泛型类的所有实例在运行时具有相同的运行时类(class)，
而不管他们的实际类型参数。
事实上，泛型之所以叫泛型，就是因为它对所有其可能的类型参数，有同样的行为；同样的类可以被当作许多不同
的类型。作为一个结果，类的静态变量和方法也在所有的实例间共享。这就是为什么在静态方法或静态初始化代码
中或者在静态变量的声明和初始化时使用类型参数（类型参数是属于具体实例的）是不合法的原因。

5.3. 转型和instanceof
泛型类被所有其实例(instances)共享的另一个暗示是检查一个实例是不是一个特定类型的泛型类是没有意义的。
       Collection cs = new ArrayList<String>();
       if (cs instanceof Collection<String>) { ...} // 非法
类似的，如下的类型转换
Collection<String> cstr = (Collection<String>) cs;
得到一个unchecked warning，因为运行时环境不会为你作这样的检查。

6. Class的范型处理
Java 5之后，Class变成范型化了。
JDK1.5中一个变化是类 java.lang.Class是泛型化的。这是把泛型扩展到容器类之外的一个很有意思的例子。
现在，Class有一个类型参数T, 你很可能会问，T 代表什么？它代表Class对象代表的类型。比如说，
String.class类型代表 Class<String>，Serializable.class代表 Class<Serializable>。
这可以被用来提高你的反射代码的类型安全。
特别的，因为 Class的 newInstance() 方法现在返回一个T, 你可以在使用反射创建对象时得到更精确的类型。
比如说，假定你要写一个工具方法来进行一个数据库查询，给定一个SQL语句，并返回一个数据库中符合查询条件
的对象集合(collection)。
一个方法是显式的传递一个工厂对象，像下面的代码：
interface Factory<T> {
      public T[] make();
}
public <T> Collection<T> select(Factory<T> factory, String statement) { 
       Collection<T> result = new ArrayList<T>();
       /* run sql query using jdbc */
       for ( int i=0; i<10; i++ ) { /* iterate over jdbc results */
            T item = factory.make();
            /* use reflection and set all of item’s fields from sql results */
            result.add( item );
       }
       return result;
}
你可以这样调用：
select(new Factory<EmpInfo>(){ 
    public EmpInfo make() { 
        return new EmpInfo();
        }
       } , ”selection string”);
也可以声明一个类 EmpInfoFactory 来支持接口 Factory：
class EmpInfoFactory implements Factory<EmpInfo> { ...
    public EmpInfo make() { return new EmpInfo();}
}
然后调用：
select(getMyEmpInfoFactory(), "selection string");
这个解决方案的缺点是它需要下面的二者之一：
调用处那冗长的匿名工厂类，或为每个要使用的类型声明一个工厂类并传递其对象给调用的地方
这很不自然。
使用class类型参数值是非常自然的，它可以被反射使用。没有泛型的代码可能是：
Collection emps = sqlUtility.select(EmpInfo.class, ”select * from emps”); ...
public static Collection select(Class c, String sqlStatement) { 
    Collection result = new ArrayList();
    /* run sql query using jdbc */
    for ( /* iterate over jdbc results */ ) { 
        Object item = c.newInstance();
        /* use reflection and set all of item’s fields from sql results */
        result.add(item);
    }
        return result;
}
但是这不能给我们返回一个我们要的精确类型的集合。现在Class是泛型的，我们可以写：
Collection<EmpInfo> emps=sqlUtility.select(EmpInfo.class, ”select * from emps”); ...
public static <T> Collection<T> select(Class<T>c, String sqlStatement) { 
    Collection<T> result = new ArrayList<T>();
    /* run sql query using jdbc */
    for ( /* iterate over jdbc results */ ) { 
        T item = c.newInstance();
        /* use reflection and set all of item’s fields from sql results */
        result.add(item);
    } 
    return result;
}
来通过一种类型安全的方式得到我们要的集合。
这项技术是一个非常有用的技巧，它已成为一个在处理注释(annotations)的新API中被广泛使用的习惯用法。

7. 新老代码兼容

7.1. 为了保证代码的兼容性，下面的代码编译器（javac）允许，类型安全有你自己保证
List l = new ArrayList<String>();
List<String> l = new ArrayList();

7.2. 在将你的类库升级为范型版本时，慎用协变式返回值。
例如，将代码
public class Foo { 
    public Foo create(){
        return new Foo();
    }
}

public class Bar extends Foo { 
    public Foo create(){
        return new Bar();
    } 
}
采用协变式返回值风格，将Bar修改为
public class Bar extends Foo { 
    public Bar create(){
        return new Bar();
    } 
}

我们知道，使用变量之前要定义，定义一个变量时必须要指明它的数据类型，什么样的数据类型赋给什么样的值。

假如我们现在要定义一个类来表示坐标，要求坐标的数据类型可以是整数、小数和字符串，例如：

• x = 10、y = 10
• x = 12.88、y = 129.65
• x = "东京180度"、y = "北纬210度"

针对不同的数据类型，除了借助方法重载，还可以借助自动装箱和向上转型。我们知道，基本数据类型可以自动装箱，被转换成对应的包装类；Object 是所有类的祖先类，任何一个类的实例都可以向上转型为 Object 类型，例如：

• int --> Integer --> Object
• double -->Double --> Object
• String --> Object

这样，只需要定义一个方法，就可以接收所有类型的数据。请看下面的代码：

    
    
    
    

     
     
     
     
public class Demo {
     
     
     
     
    public static void main(String[] args){
     
     
     
     
        Point p = new Point();
     
     
     
     

     
     
     
     
        p.setX(10);  // int -> Integer -> Object
     
     
     
     
        p.setY(20);
     
     
     
     
        int x = (Integer)p.getX();  // 必须向下转型
     
     
     
     
        int y = (Integer)p.getY();
     
     
     
     
        System.out.println("This point is：" + x + ", " + y);
     
     
     
     
       
     
     
     
     
        p.setX(25.4);  // double -> Integer -> Object
     
     
     
     
        p.setY("东京180度");
     
     
     
     
        double m = (Double)p.getX();  // 必须向下转型
     
     
     
     
        double n = (Double)p.getY(); // 运行期间抛出异常
     
     
     
     
        System.out.println("This point is：" + m + ", " + n);
     
     
     
     
    }
     
     
     
     
}
     
     
     
     

     
     
     
     
class Point{
     
     
     
     
    Object x = 0;
     
     
     
     
    Object y = 0;
     
     
     
     

     
     
     
     
    public Object getX() {
     
     
     
     
        return x;
     
     
     
     
    }
     
     
     
     
    public void setX(Object x) {
     
     
     
     
        this.x = x;
     
     
     
     
    }
     
     
     
     
    public Object getY() {
     
     
     
     
        return y;
     
     
     
     
    }
     
     
     
     
    public void setY(Object y) {
     
     
     
     
        this.y = y;
     
     
     
     
    }
     
     
     
     
}
    
    
    
    

上面的代码中，生成坐标时不会有任何问题，但是取出坐标时，要向下转型，在  Java多态对象的类型转换  一文中我们讲到，向下转型存在着风险，而且编译期间不容易发现，只有在运行期间才会抛出异常，所以要尽量避免使用向下转型。运行上面的代码，第12行会抛出 java.lang.ClassCastException 异常。

那么，有没有更好的办法，既可以不使用重载（有重复代码），又能把风险降到最低呢？

有，可以使用 泛型类(Java Class) ，它可以接受任意类型的数据。所谓“泛型”，就是“宽泛的数据类型”，任意的数据类型。

更改上面的代码，使用泛型类：

    
    
    
    

     
     
     
     
public class Demo {
     
     
     
     
    public static void main(String[] args){
     
     
     
     
        // 实例化泛型类
     
     
     
     
        Point<Integer, Integer> p1 = new Point<Integer, Integer>();
     
     
     
     
        p1.setX(10);
     
     
     
     
        p1.setY(20);
     
     
     
     
        int x = p1.getX();
     
     
     
     
        int y = p1.getY();
     
     
     
     
        System.out.println("This point is：" + x + ", " + y);
     
     
     
     
       
     
     
     
     
        Point<Double, String> p2 = new Point<Double, String>();
     
     
     
     
        p2.setX(25.4);
     
     
     
     
        p2.setY("东京180度");
     
     
     
     
        double m = p2.getX();
     
     
     
     
        String n = p2.getY();
     
     
     
     
        System.out.println("This point is：" + m + ", " + n);
     
     
     
     
    }
     
     
     
     
}
     
     
     
     

     
     
     
     
// 定义泛型类
     
     
     
     
class Point<T1, T2>{
     
     
     
     
    T1 x;
     
     
     
     
    T2 y;
     
     
     
     
    public T1 getX() {
     
     
     
     
        return x;
     
     
     
     
    }
     
     
     
     
    public void setX(T1 x) {
     
     
     
     
        this.x = x;
     
     
     
     
    }
     
     
     
     
    public T2 getY() {
     
     
     
     
        return y;
     
     
     
     
    }
     
     
     
     
    public void setY(T2 y) {
     
     
     
     
        this.y = y;
     
     
     
     
    }
     
     
     
     
}
    
    
    
    

运行结果：
This point is：10, 20
This point is：25.4, 东京180度

与普通类的定义相比，上面的代码在类名后面多出了 <T1, T2>，T1, T2 是自定义的标识符，也是参数，用来传递数据的类型，而不是数据的值，我们称之为 类型参数 。在泛型中，不但数据的值可以通过参数传递，数据的类型也可以通过参数传递。T1, T2 只是数据类型的占位符，运行时会被替换为真正的数据类型。

传值参数（我们通常所说的参数）由小括号包围，如 (int x, double y)，类型参数（泛型参数）由尖括号包围，多个参数由逗号分隔，如 <T> 或 <T, E>。

类型参数需要在类名后面给出。一旦给出了类型参数，就可以在类中使用了。类型参数必须是一个合法的标识符，习惯上使用单个大写字母，通常情况下，K 表示键，V 表示值，E 表示异常或错误，T 表示一般意义上的数据类型。

泛型类在实例化时必须指出具体的类型，也就是向类型参数传值，格式为：
    className variable<dataType1, dataType2> = new className<dataType1, dataType2>();
也可以省略等号右边的数据类型，但是会产生警告，即：
    className variable<dataType1, dataType2> = new className();

因为在使用泛型类时指明了数据类型，赋给其他类型的值会抛出异常，既不需要向下转型，也没有潜在的风险，比本文一开始介绍的自动装箱和向上转型要更加实用。

注意：

• 泛型是 Java 1.5 的新增特性，它以C++模板为参照，本质是参数化类型(Parameterized Type)的应用。
• 类型参数只能用来表示引用类型，不能用来表示基本类型，如  int、double、char 等。但是传递基本类型不会报错，因为它们会自动装箱成对应的包装类。

泛型方法

除了定义泛型类，还可以定义泛型方法，例如，定义一个打印坐标的泛型方法：

    
    
    
    

     
     
     
     
public class Demo {
     
     
     
     
 public static void main(String[] args){
     
     
     
     
 // 实例化泛型类
     
     
     
     
 Point<Integer, Integer> p1 = new Point<Integer, Integer>();
     
     
     
     
 p1.setX(10);
     
     
     
     
 p1.setY(20);
     
     
     
     
 p1.printPoint(p1.getX(), p1.getY());
     
     
     
     
 
     
     
     
     
 Point<Double, String> p2 = new Point<Double, String>();
     
     
     
     
 p2.setX(25.4);
     
     
     
     
 p2.setY("东京180度");
     
     
     
     
 p2.printPoint(p2.getX(), p2.getY());
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
}
     
     
     
     

     
     
     
     
// 定义泛型类
     
     
     
     
class Point<T1, T2>{
     
     
     
     
 T1 x;
     
     
     
     
 T2 y;
     
     
     
     
 public T1 getX() {
     
     
     
     
 return x;
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
 public void setX(T1 x) {
     
     
     
     
 this.x = x;
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
 public T2 getY() {
     
     
     
     
 return y;
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
 public void setY(T2 y) {
     
     
     
     
 this.y = y;
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
 
     
     
     
     
 // 定义泛型方法
     
     
     
     
 public <T1, T2> void printPoint(T1 x, T2 y){
     
     
     
     
 T1 m = x;
     
     
     
     
 T2 n = y;
     
     
     
     
 System.out.println("This point is：" + m + ", " + n);
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
}
    
    
    
    

运行结果：
This point is：10, 20
This point is：25.4, 东京180度

上面的代码中定义了一个泛型方法 printPoint()，既有普通参数，也有类型参数，类型参数需要放在修饰符后面、返回值类型前面。一旦定义了类型参数，就可以在参数列表、方法体和返回值类型中使用了。

与使用泛型类不同，使用泛型方法时不必指明参数类型，编译器会根据传递的参数自动查找出具体的类型。泛型方法除了定义不同，调用就像普通方法一样。 

注意：泛型方法与泛型类没有必然的联系，泛型方法有自己的类型参数，在普通类中也可以定义泛型方法。泛型方法 printPoint() 中的类型参数 T1, T2 与泛型类 Point 中的 T1, T2 没有必然的联系，也可以使用其他的标识符代替：

    
    
    
    

     
     
     
     
public static <V1, V2> void printPoint(V1 x, V2 y){
     
     
     
     
 V1 m = x;
     
     
     
     
 V2 n = y;
     
     
     
     
 System.out.println("This point is：" + m + ", " + n);
     
     
     
     
}
    
    
    
    

泛型接口

在Java中也可以定义泛型接口，这里不再赘述，仅仅给出示例代码：

    
    
    
    

     
     
     
     
public class Demo {
     
     
     
     
 public static void main(String arsg[]) {
     
     
     
     
 Info<String> obj = new InfoImp<String>("www.weixueyuan.net");
     
     
     
     
 System.out.println("Length Of String: " + obj.getVar().length());
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
}
     
     
     
     

     
     
     
     
//定义泛型接口
     
     
     
     
interface Info<T> {
     
     
     
     
 public T getVar();
     
     
     
     
}
     
     
     
     

     
     
     
     
//实现接口
     
     
     
     
class InfoImp<T> implements Info<T> {
     
     
     
     
 private T var;
     
     
     
     

     
     
     
     
 // 定义泛型构造方法
     
     
     
     
 public InfoImp(T var) {
     
     
     
     
 this.setVar(var);
     
     
     
     
 }
     
     
     
     

     
     
     
     
 public void setVar(T var) {
     
     
     
     
 this.var = var;
     
     
     
     
 }
     
     
     
     

     
     
     
     
 public T getVar() {
     
     
     
     
 return this.var;
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
}
    
    
    
    

运行结果：
Length Of String: 18

类型擦除

如果在使用泛型时没有指明数据类型，那么就会擦除泛型类型，请看下面的代码：

    
    
    
    

     
     
     
     
public class Demo {
     
     
     
     
 public static void main(String[] args){
     
     
     
     
 Point p = new Point(); // 类型擦除
     
     
     
     
 p.setX(10);
     
     
     
     
 p.setY(20.8);
     
     
     
     
 int x = (Integer)p.getX(); // 向下转型
     
     
     
     
 double y = (Double)p.getY();
     
     
     
     
 System.out.println("This point is：" + x + ", " + y);
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
}
     
     
     
     

     
     
     
     
class Point<T1, T2>{
     
     
     
     
 T1 x;
     
     
     
     
 T2 y;
     
     
     
     
 public T1 getX() {
     
     
     
     
 return x;
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
 public void setX(T1 x) {
     
     
     
     
 this.x = x;
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
 public T2 getY() {
     
     
     
     
 return y;
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
 public void setY(T2 y) {
     
     
     
     
 this.y = y;
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
}
    
    
    
    

运行结果：
This point is：10, 20.8

因为在使用泛型时没有指明数据类型，为了不出现错误，编译器会将所有数据向上转型为 Object，所以在取出坐标使用时要向下转型，这与本文一开始不使用泛型没什么两样。

限制泛型的可用类型

在上面的代码中，类型参数可以接受任意的数据类型，只要它是被定义过的。但是，很多时候我们只需要一部分数据类型就够了，用户传递其他数据类型可能会引起错误。例如，编写一个泛型函数用于返回不同类型数组（Integer 数组、Double 数组、Character 数组等）中的最大值：

    
    
    
    

     
     
     
     
public <T> T getMax(T array[]){
     
     
     
     
 T max = null;
     
     
     
     
 for(T element : array){
     
     
     
     
 max = element.doubleValue() > max.doubleValue() ? element : max;
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
 return max;
     
     
     
     
}
    
    
    
    

上面的代码会报错，doubleValue() 是 Number 类的方法，不是所有的类都有该方法，所以我们要限制类型参数 T，让它只能接受 Number 及其子类（Integer、Double、Character 等）。

通过 extends 关键字可以限制泛型的类型，改进上面的代码：

    
    
    
    

     
     
     
     
public <T extends Number> T getMax(T array[]){
     
     
     
     
 T max = null;
     
     
     
     
 for(T element : array){
     
     
     
     
 max = element.doubleValue() > max.doubleValue() ? element : max;
     
     
     
     
 }
     
     
     
     
 return max;
     
     
     
     
}
    
    
    
    

<T extends Number> 表示 T 只接受 Number 及其子类，传入其他类型的数据会报错。这里的限定使用关键字 extends，后面可以是类也可以是接口。但这里的 extends 已经不是继承的含义了，应该理解为 T 是继承自 Number 类的类型，或者 T 是实现了 XX 接口的类型。

注意：一般的应用开发中泛型使用较少，多用在框架或者库的设计中，这里不再深入讲解，主要让大家对泛型有所认识，为后面的教程做铺垫。