Java泛型詳解

2019-11-06 06:53:39
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一. 泛型概念的提出（為什么需要泛型）？
首先，我們看下下面這段簡短的代碼:
 1 public class GenericTest { 2  3     public static void main(String[] args) { 4         List list = new ArrayList(); 5         list.add("QQyumidi"); 6         list.add("corn"); 7         list.add(100); 8  9         for (int i = 0; i < list.size(); i++) {10             String name = (String) list.get(i); // 111             System.out.PRintln("name:" + name);12         }13     }14 }定義了一個List類型的集合，先向其中加入了兩個字符串類型的值，隨后加入一個Integer類型的值。這是完全允許的，因為此時list默認的類型為Object類型。在之后的循環中，由于忘記了之前在list中也加入了Integer類型的值或其他編碼原因，很容易出現類似于//1中的錯誤。因為編譯階段正常，而運行時會出現“java.lang.ClassCastException”異常。因此，導致此類錯誤編碼過程中不易發現。
 在如上的編碼過程中，我們發現主要存在兩個問題：
1.當我們將一個對象放入集合中，集合不會記住此對象的類型，當再次從集合中取出此對象時，改對象的編譯類型變成了Object類型，但其運行時類型任然為其本身類型。
2.因此，//1處取出集合元素時需要人為的強制類型轉化到具體的目標類型，且很容易出現“java.lang.ClassCastException”異常。
那么有沒有什么辦法可以使集合能夠記住集合內元素各類型，且能夠達到只要編譯時不出現問題，運行時就不會出現“java.lang.ClassCastException”異常呢？答案就是使用泛型。
 
二.什么是泛型？
泛型，即“參數化類型”。一提到參數，最熟悉的就是定義方法時有形參，然后調用此方法時傳遞實參。那么參數化類型怎么理解呢？顧名思義，就是將類型由原來的具體的類型參數化，類似于方法中的變量參數，此時類型也定義成參數形式（可以稱之為類型形參），然后在使用/調用時傳入具體的類型（類型實參）。
 看著好像有點復雜，首先我們看下上面那個例子采用泛型的寫法。
 1 public class GenericTest { 2  3     public static void main(String[] args) { 4         /* 5         List list = new ArrayList(); 6         list.add("qqyumidi"); 7         list.add("corn"); 8         list.add(100); 9         */10 11         List<String> list = new ArrayList<String>();12         list.add("qqyumidi");13         list.add("corn");14         //list.add(100);   // 1  提示編譯錯誤15 16         for (int i = 0; i < list.size(); i++) {17             String name = list.get(i); // 218             System.out.println("name:" + name);19         }20     }21 }采用泛型寫法后，在//1處想加入一個Integer類型的對象時會出現編譯錯誤，通過List<String>，直接限定了list集合中只能含有String類型的元素，從而在//2處無須進行強制類型轉換，因為此時，集合能夠記住元素的類型信息，編譯器已經能夠確認它是String類型了。
結合上面的泛型定義，我們知道在List<String>中，String是類型實參，也就是說，相應的List接口中肯定含有類型形參。且get()方法的返回結果也直接是此形參類型（也就是對應的傳入的類型實參）。下面就來看看List接口的的具體定義：
 1 public interface List<E> extends Collection<E> { 2  3     int size(); 4  5     boolean isEmpty(); 6  7     boolean contains(Object o); 8  9     Iterator<E> iterator();10 11     Object[] toArray();12 13     <T> T[] toArray(T[] a);14 15     boolean add(E e);16 17     boolean remove(Object o);18 19     boolean containsAll(Collection<?> c);20 21     boolean addAll(Collection<? extends E> c);22 23     boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);24 25     boolean removeAll(Collection<?> c);26 27     boolean retainAll(Collection<?> c);28 29     void clear();30 31     boolean equals(Object o);32 33     int hashCode();34 35     E get(int index);36 37     E set(int index, E element);38 39     void add(int index, E element);40 41     E remove(int index);42 43     int indexOf(Object o);44 45     int lastIndexOf(Object o);46 47     ListIterator<E> listIterator();48 49     ListIterator<E> listIterator(int index);50 51     List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);52 }我們可以看到，在List接口中采用泛型化定義之后，<E>中的E表示類型形參，可以接收具體的類型實參，并且此接口定義中，凡是出現E的地方均表示相同的接受自外部的類型實參。
自然的，ArrayList作為List接口的實現類，其定義形式是：
 1 public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>  2         implements List<E>, Randomaccess, Cloneable, java.io.Serializable { 3      4     public boolean add(E e) { 5         ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!! 6         elementData[size++] = e; 7         return true; 8     } 9     10     public E get(int index) {11         rangeCheck(index);12         checkForComodification();13         return ArrayList.this.elementData(offset + index);14     }15     16     //...省略掉其他具體的定義過程17 18 }由此，我們從源代碼角度明白了為什么//1處加入Integer類型對象編譯錯誤，且//2處get()到的類型直接就是String類型了。
 
三.自定義泛型接口、泛型類和泛型方法
從上面的內容中，大家已經明白了泛型的具體運作過程。也知道了接口、類和方法也都可以使用泛型去定義，以及相應的使用。是的，在具體使用時，可以分為泛型接口、泛型類和泛型方法。
自定義泛型接口、泛型類和泛型方法與上述Java源碼中的List、ArrayList類似。如下，我們看一個最簡單的泛型類和方法定義：
 1 public class GenericTest { 2  3     public static void main(String[] args) { 4  5         Box<String> name = new Box<String>("corn"); 6         System.out.println("name:" + name.getData()); 7     } 8  9 }10 11 class Box<T> {12 13     private T data;14 15     public Box() {16 17     }18 19     public Box(T data) {20         this.data = data;21     }22 23     public T getData() {24         return data;25     }26 27 } 在泛型接口、泛型類和泛型方法的定義過程中，我們常見的如T、E、K、V等形式的參數常用于表示泛型形參，由于接收來自外部使用時候傳入的類型實參。那么對于不同傳入的類型實參，生成的相應對象實例的類型是不是一樣的呢？
 1 public class GenericTest { 2  3     public static void main(String[] args) { 4  5         Box<String> name = new Box<String>("corn"); 6         Box<Integer> age = new Box<Integer>(712); 7  8         System.out.println("name class:" + name.getClass());      // com.qqyumidi.Box 9         System.out.println("age class:" + age.getClass());        // com.qqyumidi.Box10         System.out.println(name.getClass() == age.getClass());    // true11 12     }13 14 }由此，我們發現，在使用泛型類時，雖然傳入了不同的泛型實參，但并沒有真正意義上生成不同的類型，傳入不同泛型實參的泛型類在內存上只有一個，即還是原來的最基本的類型（本實例中為Box），當然，在邏輯上我們可以理解成多個不同的泛型類型。
究其原因，在于Java中的泛型這一概念提出的目的，導致其只是作用于代碼編譯階段，在編譯過程中，對于正確檢驗泛型結果后，會將泛型的相關信息擦出，也就是說，成功編譯過后的class文件中是不包含任何泛型信息的。泛型信息不會進入到運行時階段。
對此總結成一句話：泛型類型在邏輯上看以看成是多個不同的類型，實際上都是相同的基本類型。
 
四.類型通配符
接著上面的結論，我們知道，Box<Number>和Box<Integer>實際上都是Box類型，現在需要繼續探討一個問題，那么在邏輯上，類似于Box<Number>和Box<Integer>是否可以看成具有父子關系的泛型類型呢？
為了弄清這個問題，我們繼續看下下面這個例子:
 1 public class GenericTest { 2  3     public static void main(String[] args) { 4  5         Box<Number> name = new Box<Number>(99); 6         Box<Integer> age = new Box<Integer>(712); 7  8         getData(name); 9         10         //The method getData(Box<Number>) in the type GenericTest is 11         //not applicable for the arguments (Box<Integer>)12         getData(age);   // 113 14     }15     16     public static void getData(Box<Number> data){17         System.out.println("data :" + data.getData());18     }19 20 }我們發現，在代碼//1處出現了錯誤提示信息：The method getData(Box<Number>) in the t ype GenericTest is not applicable for the arguments (Box<Integer>)。顯然，通過提示信息，我們知道Box<Number>在邏輯上不能視為Box<Integer>的父類。那么，原因何在呢？
 1 public class GenericTest { 2  3     public static void main(String[] args) { 4  5         Box<Integer> a = new Box<Integer>(712); 6         Box<Number> b = a;  // 1 7         Box<Float> f = new Box<Float>(3.14f); 8         b.setData(f);        // 2 9 10     }11 12     public static void getData(Box<Number> data) {13         System.out.println("data :" + data.getData());14     }15 16 }17 18 class Box<T> {19 20     private T data;21 22     public Box() {23 24     }25 26     public Box(T data) {27         setData(data);28     }29 30     public T getData() {31         return data;32     }33 34     public void setData(T data) {35         this.data = data;36     }37 38 }這個例子中，顯然//1和//2處肯定會出現錯誤提示的。在此我們可以使用反證法來進行說明。
假設Box<Number>在邏輯上可以視為Box<Integer>的父類，那么//1和//2處將不會有錯誤提示了，那么問題就出來了，通過getData()方法取出數據時到底是什么類型呢？Integer? Float? 還是Number？且由于在編程過程中的順序不可控性，導致在必要的時候必須要進行類型判斷，且進行強制類型轉換。顯然，這與泛型的理念矛盾，因此，在邏輯上Box<Number>不能視為Box<Integer>的父類。
好，那我們回過頭來繼續看“類型通配符”中的第一個例子，我們知道其具體的錯誤提示的深層次原因了。那么如何解決呢？總部能再定義一個新的函數吧。這和Java中的多態理念顯然是違背的，因此，我們需要一個在邏輯上可以用來表示同時是Box<Integer>和Box<Number>的父類的一個引用類型，由此，類型通配符應運而生。
類型通配符一般是使用 ? 代替具體的類型實參。注意了，此處是類型實參，而不是類型形參！且Box<?>在邏輯上是Box<Integer>、Box<Number>...等所有Box<具體類型實參>的父類。由此，我們依然可以定義泛型方法，來完成此類需求。
 1 public class GenericTest { 2  3     public static void main(String[] args) { 4  5         Box<String> name = new Box<String>("corn"); 6         Box<Integer> age = new Box<Integer>(712); 7         Box<Number> number = new Box<Number>(314); 8  9         getData(name);10         getData(age);11         getData(number);12     }13 14     public static void getData(Box<?> data) {15         System.out.println("data :" + data.getData());16     }17 18 }有時候，我們還可能聽到類型通配符上限和類型通配符下限。具體有是怎么樣的呢？
在上面的例子中，如果需要定義一個功能類似于getData()的方法，但對類型實參又有進一步的限制：只能是Number類及其子類。此時，需要用到類型通配符上限。
 1 public class GenericTest { 2  3     public static void main(String[] args) { 4  5         Box<String> name = new Box<String>("corn"); 6         Box<Integer> age = new Box<Integer>(712); 7         Box<Number> number = new Box<Number>(314); 8  9         getData(name);10         getData(age);11         getData(number);12         13         //getUpperNumberData(name); // 114         getUpperNumberData(age);    // 215         getUpperNumberData(number); // 316     }17 18     public static void getData(Box<?> data) {19         System.out.println("data :" + data.getData());20     }21     22     public static void getUpperNumberData(Box<? extends Number> data){23         System.out.println("data :" + data.getData());24     }25 26 }此時，顯然，在代碼//1處調用將出現錯誤提示，而//2 //3處調用正常。
類型通配符上限通過形如Box<? extends Number>形式定義，相對應的，類型通配符下限為Box<? super Number>形式，其含義與類型通配符上限正好相反，在此不作過多闡述了。
 
五.話外篇
本文中的例子主要是為了闡述泛型中的一些思想而簡單舉出的，并不一定有著實際的可用性。另外，一提到泛型，相信大家用到最多的就是在集合中，其實，在實際的編程過程中，自己可以使用泛型去簡化開發，且能很好的保證代碼質量。并且還要注意的一點是，Java中沒有所謂的泛型數組一說。
對于泛型，最主要的還是需要理解其背后的思想和目的。
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