如何使用Java泛型

发布时间：2020-07-13 15:55:53 作者：Leah
来源：亿速云阅读：159

如何使用Java泛型？相信很多没有经验的人对此束手无策，为此本文总结了问题出现的原因和解决方法，通过这篇文章希望你能解决这个问题。

一、什么是泛型

“泛型” 意味着编写的代码可以被不同类型的对象所重用。泛型的提出是为了编写重用性更好的代码。泛型的本质是参数化类型，也就是说所操作的数据类型被指定为一个参数。

比如常见的集合类 LinkedList:

public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>,Deque<E>,Cloneable,Serializable{
 //.....
 transient Link<E> voidLink;
//.....    
}

可以看到，LinkedList<E> 类名及其实现的接口名后有个特殊的部分<E>，而且它的成员的类型 Link<E> 也包含一个<E>，这个符号的就是类型参数，它使得在运行中，创建一个 LinkedList 时可以传入不同的类型。

二、为什么引入泛型

在引入泛型之前，要想实现一个通用的、可以处理不同类型的方法，你需要使用 Object 作为属性和方法参数，比如这样：

public class Generic{
    private Object[] mData;

    public Generic(int capacity){
        mData = new Object[capacity];
    }
    
    public Object getData(int index){
       //.....
       return mData[index];
    }
     
    public void add(int index,Object item){
       //.....
       mData[index] = item;
    }   

}

它使用一个 Object 数组来保存数据，这样在使用时可以添加不同类型的对象:

Generic generic = new Generic(10);
generic.add(0,"fangxing");
generic.add(1,23);

Object 是所有类的父类，所有的类都可以作为成员被添加到上述类中；当需要使用的时候，必须进行强制转换，而且这个强转很有可能出现转换异常：

String item1 = (String) generic.getData(0);
String item2 = (String) generic.getData(1);

第二行代码将一个 Integer 强转成 String，运行时会报错：

如何使用Java泛型

可以看到，使用 Object 来实现通用、不同类型的处理，有这么两个缺点：

每次使用时都需要强制转换成想要的类型
在编译时编译器并不知道类型转换是否正常，运行时才知道，不安全

根据《Java 编程思想》中的描述，泛型出现的动机在于：

有许多原因促成了泛型的出现，而最引人注意的一个原因，就是为了创建容器类。

在 JDK 1.5 出现泛型以后，许多集合类都使用泛型来保存不同类型的元素，比如 Collection:

public interface Collection<E> extends Iterable<E>{
   
     Iterator<E> iterator();
   
     Object[] toArray();
     
     <T> T[] toArray(T[] a);

     boolean add(E e);
     
     boolean remove(Object o);
 
     boolean  containsAll(Collecion<?> c);

     boolean addAll(Collection<? extends E> c);

     boolean removeAll(Collection<?> c);
   
}

实际上引入泛型的主要目标有以下几点：

类型安全

泛型的主要目标是提高 Java 程序的类型安全
编译时期就可以检查出因 Java 类型不正确导致的 ClassCastException 异常
符合越早出错代价越小原则

消除强制类型转换

泛型的一个附带好处是，使用时直接得到目标类型，消除许多强制类型转换
所得即所需，这使得代码更加可读，并且减少了出错机会

潜在的性能收益

由于泛型的实现方式，支持泛型（几乎）不需要 JVM 或类文件更改
所有工作都在编译器中完成
编译器生成的代码跟不使用泛型（和强制类型转换）时所写的代码几乎一致，只是更能确保类型安全而已

三、泛型的使用方式

泛型的本质是参数化类型，也就是说所操作的数据类型被指定为一个参数。

类型参数的意义是告诉编译器这个集合中要存放实例的类型，从而在添加其他类型时做出提示，在编译时就为类型安全做了保证。

参数类型可以用在类、接口和方法的创建中，分别称为泛型类、泛型接口、泛型方法。

public class GenericClass<F>{
    private F mContent;
    
    public GenericClass(F content){
      mContent = content;
    }
  
    /*
      泛型方法
   */
    public F getContent(){
      return mContent;
    }
    
    public void setContent(F content){
      mcontent = content;
    }
   
    /*
       泛型接口
    */
    public interface GenericInterface<T>{
        void  doSomething(T t);
    }

}

泛型类

泛型类和普通类的区别就是类名后有类型参数列表 <E>，既然叫“列表”了，当然这里的类型参数可以有多个，比如 public class HashMap<K, V>，参数名称由开发者决定。

类名中声明参数类型后，内部成员、方法就可以使用这个参数类型，比如上面的 GenericClass<F> 就是一个泛型类，它在类名后声明了类型 F，它的成员、方法就可以使用 F 表示成员类型、方法参数/返回值都是 F 类型。

泛型类最常见的用途就是作为容纳不同类型数据的容器类，比如 Java 集合容器类。

泛型接口

和泛型类一样，泛型接口在接口名后添加类型参数，比如上面的 GenericInterface<T>，接口声明类型后，接口方法就可以直接使用这个类型。

实现类在实现泛型接口时需要指明具体的参数类型，不然默认类型是 Object，这就失去了泛型接口的意义。

未指明类型的实现类，默认是 Object 类型：

public class Generic implements GenericInterface{
    @Override
    public void doSomething(Object o){
      //...
    }
}

指明了类型的实现：

public class Generic implements GericInterface<String>{
     @Override
     public void doSomething(String s){
       //.....
     }
}

泛型接口比较实用的使用场景就是用作策略模式的公共策略， Comparator就是一个泛型接口：

public interface Comparator<T>{
    public int compare(T lhs, Trhs);
    public bollean equals(Object object);
}

泛型接口定义基本的规则，然后作为引用传递给客户端，这样在运行时就能传入不同的策略实现类。

泛型方法

泛型方法是指使用泛型的方法，如果它虽在的类是一个泛型类，那就很简单了，直接使用类声明的参数。

如果一个方法所在的类不是泛型类，或者他想要处理不同于泛型类声明类型的数据，那它就需要自己声明类型。

/*
    传统的方法，会有unchecked ... raw type 的警告 
*/
public Set union(Set s1, Set s2){
    Set result = new HashSet(s1);
    result.addAll(s2);
    return result;
}

/*
    泛型方法，介于方法修饰符和返回值之间的称作 类型参数列表<A,V,F,E....>（可以有多个）
    类型参数列表 指定参数、返回值中泛型的参数类型范围，命名惯例与泛型相同。
*/
public <E> Set<E> union2(Set<E> s1, Set<E> s2){
    Set<E> result = new HashSet<>(s1);
    result.addAll(s2);
    return result;
}

四、泛型的通配符

通配符：传入的类型有一个指定的范围，从而可以进行一些特定的操作

泛型中有三种通配符形式：

1.<?>无限制通配符

2.<? extends E> extends 关键字声明了类型的上界，表示参数化的类型可能是所指定的类型，或者是此类型的子类。

3.<? super E> super 关键字声明了类型的下界，表示参数化类型可能是指定类型，或者是此类型的父类。

无限制通配符 < ?>

要使用泛型，但是不确定或者不关心实际要操作的类型，可以使用无限制通配符（尖括号里一个问号，即 <?> ），表示可以持有任何类型。

? 和 Object 不一样，List<?> 表示未知类型的列表，而 List<Object> 表示任意类型的列表。

如传入个 List<String> ，这时 List 的元素类型就是 String，想要往 List 里添加一个 Object，这当然是不可以的。

上界通配符 < ? extends E>

在类型参数中使用 extends 表示这个泛型中的参数必须是 E 或者 E 的子类，这样有两个好处：

如果传入的类型不是 E 或者 E 的子类，编辑不成功
泛型中可以使用 E 的方法，要不然还得强转成 E 才能使用

下界通配符 < ? super E>

在类型参数中使用 super 表示这个泛型中的参数必须是 E 或者 E 的父类。

private <E> void add(List<? super E> dst, List<E> Src){
    for (E e : src){
    dst.add(e);
   }
}

上面的 dst 类型 “大于等于” src 的类型，这里的“大于等于”是指 dst 表示的范围比 src 要大，因此装得下 dst 的容器也就能装 src。

通配符比较

无限制通配符 < ?> 和 Object 有些相似，用于表示无限制或者不确定范围的场景。

< ? super E> 用于灵活写入或比较，使得对象可以写入父类型的容器，使得父类型的比较方法可以应用于子类对象。

< ? extends E> 用于灵活读取，使得方法可以读取 E 或 E 的任意子类型的容器对象。

如何使用Java泛型

因此使用通配符的基本原则：

如果参数化类型表示一个 T 的生产者，使用 < ? extends T>;(T 的子类)
如果它表示一个 T 的消费者，就使用 < ? super T>；（T 的父类）
如果既是生产又是消费，那使用通配符就没什么意义了，因为你需要的是精确的参数类型。

小总结一下：

T 的生产者的意思就是结果会返回 T，这就要求返回一个具体的类型，必须有上限才够具体；
T 的消费者的意思是要操作 T，这就要求操作的容器要够大，所以容器需要是 T 的父类，即 super T；

举个例子：

private <E extends Comparable<? super E>> E max(List<? extends E> e1){

    if(e1 == null){
        return null;
    }

    //迭代器返回的元素属于 E 的某个子类型
   
    Iterator<? extends E> iterator = e1.iterator();
    E result = iterator.next();
    while (iterator.hasNext()){
     E next = iterator.next();
      if(next.compareTo(result)>0){
       result = next;
      }
    }
    return result;
}

1.要进行比较，所以 E 需要是可比较的类，因此需要 extends Comparable<…>（注意这里不要和继承的 extends 搞混了，不一样）

2.Comparable< ? super E> 要对 E 进行比较，即 E 的消费者，所以需要用 super

3.而参数 List< ? extends E> 表示要操作的数据是 E 的子类的列表，指定上限，这样容器才够大

五、泛型的类型擦除

Java 中的泛型和 C++ 中的模板有一个很大的不同：

C++ 中模板的实例化会为每一种类型都产生一套不同的代码，这就是所谓的代码膨胀。

Java 中并不会产生这个问题。虚拟机中并没有泛型类型对象，所有的对象都是普通类。

在 Java 中，泛型是 Java 编译器的概念，用泛型编写的 Java 程序和普通的 Java 程序基本相同，只是多了一些参数化的类型同时少了一些类型转换。

实际上泛型程序也是首先被转化成一般的、不带泛型的 Java 程序后再进行处理的，编译器自动完成了从 Generic Java 到普通 Java 的翻译，Java 虚拟机运行时对泛型基本一无所知。

当编译器对带有泛型的java代码进行编译时，它会去执行类型检查和类型推断，然后生成普通的不带泛型的字节码，这种普通的字节码可以被一般的 Java 虚拟机接收并执行，这在就叫做类型擦除（type erasure）。

实际上无论你是否使用泛型，集合框架中存放对象的数据类型都是 Object，这一点不仅仅从源码中可以看到，通过反射也可以看到。

List<String> strings = new ArrayList<>();
List<Integer> integers = new ArrayList<>();
System.out.println(Strings.getClass()==integers.getClass());//true

上面代码输出结果并不是预期的false,而是true。其原因就是泛型的擦除。

六、擦除的实现原理

一直有个疑问，Java 编译器在编译期间擦除了泛型的信息，那运行中怎么保证添加、取出的类型就是擦除前声明的呢？

Java 编辑器会将泛型代码中的类型完全擦除，使其变成原始类型。当然，这时的代码类型和我们想要的还有距离，接着 Java 编译器会在这些代码中加入类型转换，将原始类型转换成想要的类型。这些操作都是编译器后台进行，可以保证类型安全。总之泛型就是一个语法糖，它运行时没有存储任何类型信息。

擦除导致的泛型不可变性

泛型中没有逻辑上的父子关系，如 List 并不是 List 的父类。两者擦除之后都是List，所以形如下面的代码，编译器会报错：

/*
    两者并不是方法的重载，擦除之后就是同一方法，所以编译不会通过。
    擦除之后：
    void m(List numbers){}
    void m(List Strings){}   //编译不通过，已经存在形同方法签名 
*/
   void method(List<Object> numbers){}
   void method(List<String> strings){}

泛型的这种情况称为不可变性，与之对应的概念是协变、逆变：

协变：如果 A 是 B 的父类，并且 A 的容器（比如 List< A>）也是 B 的容器（List< B>）的父类，则称之为协变的（父子关系保持一致）
逆变：如果 A 是 B 的父类，但是 A 的容器是 B 的容器的子类，则称之为逆变（放入容器就篡位了）
不可变：不论 A B 有什么关系，A 的容器和 B 的容器都没有父子关系，称之为不可变

Java 中数组是协变的，泛型是不可变的。

擦除的拯救者：边界

我们知道，泛型运行时被擦除成原始类型，这使得很多操作无法进行.

如果没有指明边界，类型参数将被擦除为 Object。

如果我们想要让参数保留一个边界，可以给参数设置一个边界，泛型参数将会被擦除到它的第一个边界（边界可以有多个），这样即使运行时擦除后也会有范围。

比如：

public class GenericErasure {
    interface Game{
      void play();
    }
    interface Program{
      void code();
   }
   public static calss People<T extends Program & Game>{
       private T mPeople;
       
       public People(T people){
         mPeople = people;
       }
       public void habit(){
         mPeople.code();
         mPeople.play();
        }
   }
   

}

上述代码中, People 的类型参数 T 有两个边界,编译器事实上会把类型参数替换为它的第一个边界的类型。

七、泛型的规则

泛型的参数类型只能是类（包括自定义类），不能是简单类型。
同一种泛型可以对应多个版本（因为参数类型是不确定的），不同版本的泛型类实例是不兼容的。
泛型的类型参数可以有多个
泛型的参数类型可以使用 extends 语句，习惯上称为“有界类型”
泛型的参数类型还可以是通配符类型，例如 Class

泛型的使用场景

当类中要操作的引用数据类型不确定的时候，过去使用 Object 来完成扩展，JDK 1.5后推荐使用泛型来完成扩展，同时保证安全性。

八、总结

1.上面说到使用 Object 来达到复用，会失去泛型在安全性和直观表达性上的优势，那为什么 ArrayList 等源码中的还能看到使用 Object 作为类型？

泛型出现时，Java 平台即将进入它的第二个十年，在此之前已经存在了大量没有使用泛型的 Java 代码。人们认为让这些代码全部保持合法，并且能够与使用泛型的新代码互用，非常重要。

这样都是为了兼容，新代码里要使用泛型而不是原始类型。

2.泛型是通过擦除来实现的。因此泛型只在编译时强化它的类型信息，而在运行时丢弃(或者擦除)它的元素类型信息。擦除使得使用泛型的代码可以和没有使用泛型的代码随意互用。

3.如果类型参数在方法声明中只出现一次，可以用通配符代替它。

private <E> void swap(List<E> list, int i, int j){
    //....
}

只出现了一次类型参数，没有必要声明，完全可以用通配符代替：

private void swap(List<?> list, int i, int j){
    //...
}

对比一下，第二种更加简单清晰吧。

4.数组中不能使用泛型

Array 事实上并不支持泛型，这也是为什么 Joshua Bloch 在《Effective Java》一书中建议使用 List 来代替 Array，因为 List 可以提供编译期的类型安全保证，而 Array 却不能。

5.Java 中 List<Object> 和原始类型 List 之间的区别?

在编译时编译器不会对原始类型进行类型安全检查，却会对带参数的类型进行检查
通过使用 Object 作为类型，可以告知编译器该方法可以接受任何类型的对象，比如String 或 Integer
你可以把任何带参数的类型传递给原始类型 List，但却不能把 List< String> 传递给接受 List< Object> 的方法，因为泛型的不可变性，会产生编译错误。

九、补充

静态资源不认识泛型

接上一个话题，如果把<T>去掉，那么：

private static T ifThenElse(boolean b, T first, T second){
    return b ? first : second;
}

报错，T未定义。但是如果我们再把static去掉：

public class TestMain<T>{
    public static void main(String[] args){}
    
   @SuppressWarnings("unused")
   private List<T> ifThenElse(boolean b,T first, T second){
     return null;
   }
}

这并不会有任何问题。两相对比下，可以看出static方法并不认识泛型，所以我们要加上一个<T>，告诉static方法，后面的T是一个泛型。既然static方法不认识泛型，那我们看一下static变量是否认识泛型：

public class TestMain<T>{
    private List<T> notStaticList;
    private static List<T> staticList;
}

这证明了，static变量也不认识泛型，其实不仅仅是staic方法、static变量、static块，也不认识泛型，可以自己试一下。总结起来就是一句话：静态资源不认识泛型。

看完上述内容，你们掌握如何使用Java泛型的方法了吗？如果还想学到更多技能或想了解更多相关内容，欢迎关注亿速云行业资讯频道，感谢各位的阅读！

如何使用Java泛型

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