Java中泛型的详细解析，深入分析泛型的使用方式

泛型的基本概念

• 泛型: 参数化类型
  • 参数:
    • 定义方法时有形参
    • 调用方法时传递实参
  • 参数化类型: 将类型由原来的具体的类型参数化,类似方法中的变量参数
    • 类型定义成参数形式, 可以称为类型形参
    • 在使用或者调用时传入具体的类型,可以称为类型实参
• 泛型的本质是为了参数化类型
  • 在不创建新的类型的情况下,通过泛型指定的不同类型来控制形参具体限制的类型
  • 在泛型使用过程中,操作的数据类型被指定为一个参数,这种参数类型可以用在:
    • 类 - 泛型类
    • 接口 - 泛型接口
    • 方法 - 泛型方法
• 泛型示例:

List arrayList = new ArrayList();
arrayList.add("aaaa");
arrayList.add(100);

arrayList.forEach(i -> {
	String item = (String) arrayList.get(i);
 Log.d("泛型", "item = " + item);
});

• 这样的写法会导致程序出现异常崩溃结束:

	java.lang.ClassCastException: java.lang.Integer cannot be cast to java.lang.String

• 这里的ArrayList可以存放任意类型,添加了一个String类型,添加了一个Integer类型,再使用时都以String的方式使用,因此程序崩溃
• 泛型就是解决这样的问题
• 再讨论另一种情况,如果将第一行声明初始的代码修改一下,那么在编译阶段就能发现问题:

List arrayList = new ArrayList<String>();
arrayList.add("aaaa");
arrayList.add(100); // 这一步在编译阶段,编译器就会报错

 arrayList.forEach(i -> {
 	String item = (String) arrayList.get(i);
 	Log.d("泛型", "item = " + item);
 });

• 泛型只在编译阶段有效:

List<String> stringArrayList = new ArrayList<String>();
List<Integer> integerArrayList = new ArrayList<Integer>();

Class classStringArrayList = stringArrayList.getClass();
Class classIntegerArrayList = integerArrayList.getClass();

if (classStringArrayList.equals(classIntegerArrayList)) {
	Log.d("泛型", "类型相同");
}

可以发现,在编译过后,程序会采取去泛型化措施.也就是说,Java中的泛型,只在编译阶段有效.在编译过程中,正确检验泛型结果后,会将泛型的相关信息擦除,并且在对象进入和离开方法的边界处添加类型检查和类型转换方法

• 泛型类型在逻辑上可以看成多个不同的类型,实际上都是相同的基本类型

泛型的使用

• 泛型有三种使用方式:
  • 泛型类
  • 泛型接口
  • 泛型方法

泛型类

• 泛型类: 泛型类型用于类定义中
  • 通过泛型类可以完成对一组类的操作对外开发相同的接口
  • 最典型的就是各种容器类:
    • List
    • Set
    • Map
• 泛型类的最基本写法:

class 类名称 <泛型标识: 标识号,标识指定的泛型的类型> {
	private 泛型标识 成员变量类型 成员变量名;
}

• 示例:

/*
 * 这里的T可以为任意标识,通常使用T,E,K,V等形式的参数表示泛型
 * 在实例化泛型时,必须指定T的具体类型
 */
 public class Generic<T> {
 	// key这个成员变量的类型为T,T的类型由外部指定
 	private T key;

	// 泛型构造方法形参key的类型也为T,T的类型由外部指定
	public Generic(T key) {
		this.key = key;
	}

	// 泛型构造方法getKey的返回值类型为T,T的类型由外部指定
	public T getKey() {
	}
 }

/*
 * 泛型的类型参数只可以是类类型,包括自定义类. 不能是简单类型
 */
 // 传入的实参类型需要与泛型类型的参数类型相同,即Integer
 Generic<Integer> genericInteger = new Generic<Integer>(123456);
 // 传入的实参类型需要与泛型类型的参数类型相同,即String
 Generic<String> genericString = new Generic<String>("key_value");

 Log.d("泛型测试", "key is" + genericInteger.getKey());
 Log.d("泛型测试", "key is" + genericString.getKey());

泛型测试: key is 123456
泛型测试: key is key_value

• 泛型类中不一定要传入泛型类型的实参:
  • 如果传入泛型实参,会根据传入的泛型实参做相应的限制,此时泛型才会起到本应起到的限制作用
  • 如果不传如泛型类型的实参,在泛型类中使用泛型的方法或者成员变量的定义可以为任何类型

  Generic genericString = new Generic("1111");
  Generic genericInteger = new Generic(5555);
  Generic genericBigDecimal = new Generic(66.66);
  Generic genericBoolean = new Generic(true);
  
  Log.d("泛型测试", "key is" + genericString.getKey());
  Log.d("泛型测试", "key is" + genericInteger.getKey());
  Log.d("泛型测试", "key is" + genericBigDecimal.getKey());
  Log.d("泛型测试", "key is" + genericBoolean.getKey());
  

  D/泛型测试: key is 1111
  D/泛型测试: key is 5555
  D/泛型测试: key is 66.66
  D/泛型测试: key is true
  

• 泛型的类型参数只能是类类型,不能是简单类型
• 不能对确切的泛型类型使用instanceof操作,编译时会出错

泛型接口

• 泛型接口与泛型类的定义及使用基本相同
• 泛型接口常常被用在各种类的生产器中
• 示例:

// 定义一个泛型接口
public interface Generator<T> {
	public T next();
}

• 当实现泛型接口的类,未传入泛型实参时:

/**
 * 未传入泛型实参时,与泛型类的定义相同,在声明类的时候,需将泛型的声明也一起加到类中:
 * 		即 class FruitGenerator<T> implements Generator<T> {}
 * 		如果不声明泛型,比如: class FruitGenerator implements Generator<T>. 此时编译器会报错 - Unknown class
 */
 class FruitGenerator<T> implements Generator<T> {
 	@Override
 	public T next() {
 		return null;
 	}
 }

• 当实现泛型接口的类,传入泛型实参时:

/**
 * 传入泛型实参时:
 * 		定义一个生产器实现这个接口
 * 		尽管只创建了一个泛型接口Generator<T>,但是可以为T传入无数个实参,形成无数种类型的Generator接口
 * 		在实现类实现泛型接口时,如果已经将泛型类型传入实参类型,则所有使用泛型的地方动摇替换成传入的实参类型
 * 			即: Generator<T>, public T next(); 这里的T都要替换成传入的String类型
 */
 public class FruitGenerator implements Generator<String> {
 	private String[] fruits = new String[]{"Apple", "Banana", "Pear"};

	@Override
	public String next() {
		Random rand = new Random();
		return fruits[rand.nextInt(3)];
	}
 }

泛型通配符

• Integer是number的一个子类 ,Generic< Integer > 与Generic< number > 实际上是相同的一种类型
• 由此,产生如下问题:
  • 在使用Generic< number > 作为形参的方法中,能否使用Generic< Integer > 的实例传入?
  • 在逻辑上类似于Generic< number >和Generic< Integer >是否可以看成是具有父子关系的泛型类型呢?

• Generic< T >泛型类示例:

public void showKeyValue1(Generic<Number> obj) {
	Log.d("泛型测试", "key value is" + obj.getKey());
}

Generic<Integer> gInteger = new Generic<Integer>(123);
Generic<Number> gNumber = new Generic<Number>(456);

showKeyValue(gNumber);

showKeyValue这个方法编译器会报错:
	Generic<java.lang.Integer> cannot be applied to Generic<java.lang.Number> showKeyValue(gInteger);

由此可以看到Generic< Integer >不能看作是Generic< Number >的子类.

• 由此可见:
  • 同一种泛型可以对应多个版本,因为参数类型是不确定的
  • 不同版本的泛型类型实例是不兼容的
• 为了解决这样的问题,又不能为了定义一个新的方法来处理Generic< Integer >,这与Java中多态的理念违背.因此,需要一个在逻辑上可以表示同时是Generic< Integer >和Generic< Number >父类的引用类型.这样的类型就是类型通配符:
• 使用通配符表示泛型:

public void showKeyValueWildcard(Generic<?> obj) {
	Log.d("泛型测试", "key value is" + obj.getKey());
}

• 类型通配符一般使用 ? 代替具体的类型实参:
  • 此处的 ? 是类型实参, 而不是类型形参.
  • 和Number,String,Integer一样,都是一种实际的类型
  • 可以把 ? 看作是所有类型的父类,是一种真实的类型
• 类型通配符的使用场景:
  • 当具体类型不确定的时候,这个通配符就是 ?
  • 当操作类型时,不需要使用类型的具体功能,只使用Object类中的功能,那么可以使用 ? 通配符来表示未知的类型

泛型方法

• 泛型类: 在实例化类的时候指明泛型的具体类型
• 泛型方法: 在调用方法的时候指明泛型的具体类型

/**
 * 泛型方法:
 * 		1. public 和 返回值中间的 <T> 非常重要,可以理解为声明此方法为泛型方法
 * 		2. 只有声明了 <T> 的方法才是泛型方法,泛型类中的使用了泛型的成员方法并不是泛型方法
 * 		3. <T> 表示该方法将使用泛型类型T,此时才可以在方法中使用泛型类型T
 * 		4. 与泛型类的定义一样,此处的T可以为任意标识,常见的比如: T, E, K, V等形式的参数常用于表示泛型
 *
 * @param tClass 传入的泛型实参
 * @return T 返回值为T类型
 */
 public <T> T genericMethod(Class<T> tClass) throws InstanttiationException, IllegalAccessException {
 	T instance = tClass.newInstance();
 	return instance;
 }

Object obj = genericMethod(Class.forName("com.oxford.test"));

泛型方法的基本用法

• 泛型方法使用示例:

public class GenericTest {
	/*
	 * 下面这个类是一个泛型类
	 */
	 public class Generic<T> {
	 	private T key;

		public Generic(T key) {
			this.key = key;
		}

		/*
		 * 这个方法虽然在方法使用了泛型,但是这不是一个泛型方法
		 * 这只是类中一个普通的成员方法,只不过返回值是在声明泛型类已经声明过的泛型
		 * 所以在这个方法中才可以继续使用T这个泛型
		 */
		 public T getKey() {
		 	return key;
		 }

		/*
		 * 下面的这个方法显然是有问题的,在编译器中就会提示错误"cannot resolve symbol E"
		 * 因为在类的声明中并未声明泛型E,所以在使用E做形参和返回值类型时,编译器会无法识别
		 *
		 * public E setKey(E key) {
		 * 	this.key = key
		 * }
		 */
	 } 

	 /*
	  * 下面这个方法是一个泛型方法:
	  * 	首先在public与返回值之间的<T>必不可少,这个表明这是一个泛型方法,并且声明了一个泛型T
	  * 	这个T可以出现在这个泛型方法的任意位置
	  * 	泛型的数量也可以为任意多个
	  */
	  public <T> T showKeyName(Generic<T> container) {
	  	System.out.println("container key:" + container.getKey());
	  	T test = container.getKey();
	  	return test;
	  }

	  /*
	   * 下面这个方法也不是一个泛型方法
	   * 这就是一个普通的方法,只是使用了Generic<Number>这个泛型类做形参
	   */
	   public void showKeyValue1(Generic<Number> obj) {
	   	Log.d("泛型测试", "key value is " + obj.getKey());
	   }

	  /*
	   * 下面这个方法也不是一个泛型方法
	   * 这也是一个普通方法,只是使用了泛型通配符 ?
	   * 从这里可以验证: 泛型通配符 ? 是一种类型实参,可以看作是所有类的父类
	   */
	   public void showKeyValue2(Generic<?> obj) {
	   	Log.d("泛型测试", "key value is" + obj.getKey());
	   }

	  /*
	   * 下面这个方法是有问题的,在编译器中就会提示错误信息:"Unknown class 'E'"
	   * 	虽然声明了 <T>, 也表明这是一个可以处理泛型类型的泛型方法
	   * 	但是只声明了泛型类型T,并未声明泛型类型E,因此编译器不知道如何处理E这个类型
	   *
	   * public <T> T showKeyName(Generic<E> container) {
	   * 	...
	   * }
	   */	

	  /*
	   * 下面这个方法也是有问题的,在编译器中就会提示错误信息:"Unknown class 'T'"
	   * 	对于编译器来说 T 这个类型并未在项目中声明过,因此编译器也不知道该如何编译这个类
	   * 	所以这也不是一个正确的泛型方法声明
	   *
	   * public void showKey(T genericObj) {
	   * 	...
	   * }
	   */

		public void main(String[] args) {
		}
}

类中的泛型方法

• 泛型方法可以出现在任何地方任何场景中进行使用
• 但是,当泛型方法出现在泛型类中时,情况比较特殊:

public class GenericFruit {
	class Fruit {
		@Override
		public String toString() {
			return "fruit";
		}
	}

	class Apple extends Fruit {
		@Override
		public String toString() {
			retrun "apple";
		}
	}

	class Person {
		@Override
		public String toString() {
			return "Person";
		}
	}

	class GenerateTest<T> {
		public void show_1(T t) {
			System.out.println(t.toString());
		}

		/*
		 * 在泛型类中声明一个泛型方法,使用泛型T
		 * 注意这个T是一种全新的类型,可以与泛型类中声明的T不是同一个类型
		 */
		 public <T> void show_2(T t) {
		 	System.out.println(t.toString());
		 }

		/*
		 * 在泛型类中声明一个泛型方法,使用泛型E. 这种泛型E可以为任意类型,可以与类型T相同
		 * 由于泛型方法在声明的时候会声明泛型 <E>,因此即使在泛型类中并未声明泛型,编译器也能够正确识别泛型方法中识别的泛型
		 */
		 public <E> void show_3(E t) {
		 	System.out.println(t.toString());
		 }
	} 

	public void main(String[] args) {
		Apple apple = new Apple();
		Person person = new Person();

		GenerateTest<Fruit> generateTest = new GenerateTest<Fruit>();
		// apple是Fruit的子类,所以这里可以
		generateTest.show_1(apple);

		/*
		 * 编译器会报错,因为泛型类型实参指定的是Fruit,而传入的实参类是Person
		 *
		 * generateTest.show_1(person);
		 */

		/*
		 * 使用两个参数都能成功
		 */
		 generateTest.show_2(apple);
		 generateTest.show_2(person);

		/*
		 * 使用两个参数也都能成功
		 */
		 generateTest.show_3(apple);
		 generateTest.show_3(person);
	}
}

泛型方法与可变参数

• 泛型方法与可变参数:

public <T> void printMsg(T... args) {
	for (T t : args) {
		Log.d("泛型测试", "t is" + t);
	}
}

静态方法与泛型

• 注意在类中的静态方法使用泛型:
  • 静态方法无法访问类上定义的泛型
  • 如果静态方法操作的引用数据类型不确定的时候,必须要将泛型定义在方法上
• 如果静态方法要使用泛型的话,必须将静态方法定义成泛型方法:

public class StaticGenerator<T> {
	...
	...
	/*
	 * 如果在类中定义使用泛型的静态方法,需要添加额外的泛型声明 - 将这个方法定义成泛型方法
	 * 否则会报错: StaticGenerator cannot be refrenced from static context
	 */
	 public static <T> void show(T t) {
	 }
}

泛型方法总结

• 泛型方法能使方法独立于类而产生变化,使用原则:
  • 无论何时,如果能做到,就尽量使用泛型方法
  • 如果使用泛型方法将整个类泛型话,就应该使用泛型方法
  • 对于一个static方法,无法访问泛型类型的参数.如果static方法要使用泛型,就必须使之成为泛型方法

泛型的上下边界

• 在使用泛型的时候,可以为传入的泛型类型实参进行上下边界的限制:
  • 比如: 类型的实参只准传入某种类型的父类或者某种类型的子类
• 为泛型方法添加上边界,即传入的类型实参必须是指定类型的子类型:

public void showKeyValue1(Generic<? extends Number> obj) {
	Log.d("泛型测试", "key value is" + obj.getKey());
}

Generic<String> generic1 = new Generic<String>("11111");
Generic<Integer> generic2 = new Generic<Integer>(2222);
Generic<Float> generic3 = new Generic<Float>(2.4f);
Generic<Double> generic4 = new Generic<Double>(2.56);

/*
 * 这一行在编译的时候就会报错,因为String类型并不是Number类型的子类
 *
 * showKeyValue1(generic1);
 */
 showKeyValue2(generic2);
 showKeyValue3(generic3);
 showKeyValue4(generic4);

• 为泛型类添加上边界,即类中泛型必须是指定类型的子类型:

public class Generic<T extends Number> {
	private T key;

	public Generic(T key) {
		this.key = key;
	}

	public T getKey() {
		return key;
	}
}

/*
 * 这一行代码在编译的时候会报错,因为String的类型不是Number的子类
 */
 Generic<String> generic1 = new Generic<String>("1111");

• 在泛型方法中添加上下边界限制时,必须在权限声明与返回值之间的< T >上添加上下边界:

/*
 * 如果使用:
 * 		public <T> showKeyName(Generic<T extends Number> container);
 * 编译器会报错.
 */
 public <T extends Number> T showKeyName(Generic<T> container) {
 	System.out.println("container key:" + container.getKey());
 	T test = container.getKey();
 	return test;
 }

• 从上面可以看出 : 泛型的上下边界添加,必须与泛型的声明在一起

泛型数组

• 在Java中,不能创建一个确切的泛型类型的数组

/*
 * 这个数组创建的方式是不允许的
 * List<String>[] ls = new ArrayList<String>[10];
 */

 // 使用通配符创建泛型数组是可以的
 List<?>[] ls = new ArrayList<?>[10];

 // 下面的这个方法也是可以的
 List<String> ls = new ArrayList[10];

• 示例:

List<String>[] lsa = new List<String>[10]; //不允许这样定义
Object o = lsa;
Object[] oa = (Object) o;
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.add(new Integer(3));
oa[1] = li; // 不建议这样使用,但是可以通过运行时检查
String s = lsa[1].get(0); // 运行时报错,类型转换异常

• 由于JVM的擦除机制,在运行时JVM是不知道泛型信息的:
  • 所有可以给oa[1] 赋值一个ArrayList却不会出现异常
  • 但是在取出数据的时候要做一次类型转换,就会出现ClassCastException
  • 如果可以进行泛型数组的声明,那么上面的这种情况在编译期将不会出现任何警告和错误,只有在运行时才会报错
• 通过对泛型数组的声明进行限制,对于这样的情况,可以在编译期提示代码有类型安全问题

• 数组的类型不可以是类型变量,除非是采用通配符的方式: 因为对于通配符的方式,最后取出数据是要做显式的类型转换的

List<?>[] lsa= new List<?>[10]; // 可以这样定义为泛型数组
Object o = lsa;
Object[] oa = (Object[]) o;
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.add(new Integer(3));
oa[1] = li; // 可以这样赋值
Integer i = (Integer) lsa[1].get(0); // 可以这样取出数据