小白学Java：老师！泛型我懂了！

时间：2021-04-26 21:26:04

小白学Java：老师！泛型我懂了！

泛型概述

使用泛型机制编写的程序代码要比哪些杂乱地使用Object变量，然后再进行强制类型转换地代码具有更好的安全性和可读性。

以上摘自《Java核心技术卷一》

在谈泛型的定义之前，我先举一个简单又真实的例子：如果我想定义一个容器，在容器中放同一类的事物，理所当然嘛。但是在没有泛型之前，容器中默认存储的都是Object类型，如果在容器中增加不同类型的元素，都将会被接收，在概念上就不太符合了。关键是放进去不同元素之后，会造成一个很严重的情况：在取出元素并对里面的元素进行对应操作的时候，就需要复杂的转型操作，搞不好还会出错，就像下面这样：

//原生类型

ArrayList cats = new ArrayList();

cats.add(new Dog());

cats.add(new Cat());

for (int i = 0; i < cats.size(); i++) {

//下面语句类型强转会发生ClassCastException异常

    ((Cat) cats.get(i)).catchMouse();

}

而泛型又是怎么做的呢？通过尖括号<>里的类型参数来指定元素的具体类型。

ArrayList<Dog> dogs = new ArrayList<>();

dogs.add(new Dog());

dogs.add(new SkyBarking());

dogs.add(new Snoopy());

dogs.add(new Cat());//编译不通过

//向上转型,另外两个是Dog的子类对象

for(Dog d:dogs){

    System.out.println(d);

}

至此，泛型优点显而易见：

  • 可读性：很明显嘛，一看就知道是存着一组Dog对象。
  • 安全性：如果类型不符，编译不会通过，因此不再需要进行强制转换。

妙啊，从中我们可以体会泛型的理念：泛型只存在编译器，宁可让错误发生在编译期，也不愿意让程序在运行时出现类型转换异常。 因为bug发生在编译期更容易去找到并修复。 除此之外：

  • 可将子类类型传入父类对象的容器之中，向上转型。
  • 不必纠结对象的类型，可用增强for循环实现遍历。

定义泛型

再次强调，所谓泛型，即参数化类型，就是只有在使用类的时候，才把类型确定下来，相当的灵活。

泛型类的定义

class Element<T>{

    private T value;

    Element(T value){

        this.value = value;

    }

    public T getvalue() {

        return this.value;

    }

}
  • 引入类型变量T（按照规范，也可以有多个，用逗号隔开），并用<>扩起，放在类名后面。
  • 其实就是可以把T假想成平时熟悉的类型，这里只不过用个符号代替罢了。
Element<String> element = new Element<>("天乔巴夏");

System.out.println(element.getvalue());
  • 使用泛型时，用具体类型（只能是引用类型）替换类型变量T即可。泛型其实可以堪称普通类的工厂。
  • 泛型接口的定义与类定义类似，就暂且不做赘述。

泛型方法的定义

class ParaMethod {

    public static <T> T getMiddle(T[] a) {

        return a[a.length/2];

    }

}
  • 注意该方法并不是在泛型类中所定义，而是在普通类中定义的泛型方法。
  • 类型变量T放在修饰符的后面，返回类型的前面，只是正好我们这边返回类型也是T。
int m = ParaMethod.getMiddle(new Integer[]{1,2,3,4,5});

//返回Integer类型，自动拆箱

System.out.println(m);//3

类型变量的限定

我们上面讲到，泛型拥有足够的灵活性，意味着我传啥类型，运行的时候就是啥类型。但是，实际生活中，我要是想对整数类型进行操作，不想让其他类型混入，怎么办呢？对了，加上类型限定。

public static <T extends Number> T getNum(T num) {

    return num;

}
  • 定义格式：修饰符 <T extends 类型上限> 返回类型 方法名 参数列表，如上表示对类型变量的上限进行限定，只有Number及其子类可以传入。
  • 规定类型的上限的数量最多只能有一个。
  • 既然类的定义是这样子，那大胆猜测一下，定义接口上线是不是就应该用implements关键字呢？答案是：否！接口依旧也是extends。
public static <T extends Comparable & Serializable> T max(T[] a) {

    if (a == null || a.length == 0) return null;

    T maximum = a[0];

    for (int i = 1; i < a.length; i++) {

        if (maximum.compareTo(a[i]) < 0) maximum = a[i];

    }

    return maximum;

}
  • 需要注意的是：如果允许多个接口作为上限，接口可以用&隔开。
  • 如果规定上限时，接口和类都存在，类需要放在前面，<T extends 类&接口>。
  • 没有规定上限的泛型类型可以视为:<T extends Object>。

原生类型与向后兼容

使用泛型类而不指定具体类型，这样的泛型类型就叫做原生类型（raw type）,用于和早期的Java版本向后兼容，毕竟泛型JDK1.5之后才出呢。其实我们在本篇开头举的例子就包含着原生类型，ArrayList cats = new ArrayList();。

ArrayList cats = new ArrayList();//raw type

它大致可以被看成指定泛型类型为Object的类型。

ArrayList<Object> cats = new ArrayList<Object>();

注意：原生类型是不安全的！因为可能会引发类型转换异常，上面已经提到。所以我们在使用过程中，尽量不要使用原生类型。

通配泛型

我们通过下面几个例子，来详细总结通配类型出现的意义，以及具体的用法。

非受限通配

如果我想定义一个方法，让它接收一个集合，不关注集合中元素的类型，并把集合中的元素打印出来，应该怎么办呢？

上面谈到泛型，你可能会这样写，让方法接收一个Object的集合，这样子你传进来啥我都接，完成之后美滋滋，一调试就不对了：

public static void print(ArrayList<Object> arrayList){

    //错误！：arrayList.add(5);

    for(int i = 0;i< arrayList.size();i++){

        System.out.println(arrayList.get(i));

    }

}
ArrayList<Integer> arr = new ArrayList<>();

print(arr);

究其原因：Integer是Object的子类的确没错，但是ArrayList并不是ArrayList的子类型。那可咋办啊？这时非受限通配符它来了……

public static void print(ArrayList<?> arrayList)
  • 定义格式：?表示接收所有的类型，可以看成是? extends Object，这个就是我们即将要说的受限通配的格式了，非受限通配就是以Object为上限的通配，可不是嘛。
  • 使用通配符?时，由于类型的不确定，你不能够调用与对象类型相关的方法，就像上面的arrayList.add(5);就是错误的。

受限通配

如果我想定义一个方法，让它接收一个整数类型的集合，应该怎么办呢？

public static void operate(ArrayList<Number> list){

    /*operate a List of Number*/

}
/* 调用方法 */

ArrayList<Integer> arr = new ArrayList<>();

operate(arr);

上面的这个错误，想必你不会再犯，因为ArrayList并不是ArrayList的子类型。那这个时候又咋办啊？这时受限通配符它来了……

public static void operate(ArrayList<? extends Number> list){

    /*operate a List of Number*/

}
  • 形式：？extends T ，表示T或者T的子类型。

下限通配

说完了上面两个，第三个我就不卖关子了，直接写上它的定义格式：? super T，表示T或者T的父类型。

public static <T> void show(ArrayList<T> arr1,ArrayList<? super T>arr2){

    System.out.println(arr1.get(0)+","+arr2.get(0));

}
ArrayList<Number> arr1 = new ArrayList<>();

ArrayList<Integer> arr2 = new ArrayList<>();

//编译出错

show(arr1,arr2);

以上将会编译错误，因为限定show方法中第二个参数的类型必须时第一个参数类型或者其父类。

泛型的擦除和限制

类型擦除

  • 泛型的相关信息可被编译器使用，但是这些信息在运行时是不可用的。

  • 泛型仅仅存在于编译，一但编译器确认泛型类型的安全性，就会将它转换原生类型。

  • 当编译泛型类、接口或方法时，编译器会用Object代替泛型类型。以上面的例子举例：

Element<String> element = new Element<>("天乔巴夏");

System.out.println(element.getvalue());

将会变成：

Element element = new Element("天乔巴夏");

System.out.println((String)element.getvalue());
  • 当一个泛型受限时，编译器会用其首限类型替换它。
public static void operate(ArrayList<? extends Number> list){

    /*operate a List of Number*/

}

将变成下面这样：

public static void operate(ArrayList<Number> list){

    /*operate a List of Number*/

}
  • 不管实际的具体类型是什么，泛型类总是被它的所有实例所共享。
ArrayList<Number> arr1 = new ArrayList<>();

ArrayList<Integer> arr2 = new ArrayList<>();

System.out.println(arr1 instanceof ArrayList);//true

System.out.println(arr2 instanceof ArrayList);//true

可以看到，虽然ArrayList<Number>和ArrayList<Integer>是两种类型，但是由于泛型在编译器进行类型擦除，它们在运行时会被加载进同一个类，即ArrayList类。所以下面这句将会编译出错。

System.out.println(arr1 instanceof ArrayList<Number>);//编译出错

类型擦除造成的限制

  • 不能使用泛型类型参数创建实例。
T t = new T();//错误
  • 不能使用泛型类型参数创建数组。
//错误：E[] elements = new E[5];

E[] elements = (E[])new Object[5];

//可以通过类型转换规避限制，但仍会导致一个unchecked cast警告，编译器不能够确保在运行时类型转换能否成功。
  • 不允许使用泛型类创建泛型数组。
ArrayList<String>[] list = new ArrayList<String>[5];//错误
  • 上面说到，泛型类的所有实例具有相同的运行时类，所以泛型类的静态变量和方法时被它的实例们所共享的，所以下面三种做法都不行。
class Test<T> {

    public static void m(T o1) {//错误

    }

    public static T o1;//错误

    static {

        T o2;//错误

    }

}
  • 异常类不能是泛型的。因为如果异常类可以是泛型的，那么想要捕获异常，JVM需要检查try子句抛出的异常是否和catch子句中的异常类型匹配，但是泛型类型擦除的存在，运行时的类型并不能够知道，所以没什么道理。

本文若有叙述不当之处，还望评论区批评指正。

参考资料：

《Java核心结束卷一》、《Java语言程序设计与数据结构》

泛型就这么简单

https://www.programcreek.com/category/java-2/generics-java-2/

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