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泛型类、泛型方法、泛型接口、泛型数组以及泛型擦除原理

一、泛型的概念

泛型是 Java SE5 出现的新特性,泛型的本质是类型参数化或参数化类型,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。

二、泛型的意义

一般的类和方法,只能使用具体的类型:要么是基本类型,要么是自定义的类。如果要编写可以应用于多种类型的代码,这种刻板的限制对代码的束缚就会很大。

Java 在引入泛型之前,表示可变对象,通常使用 Object 来实现,但是在进行类型强制转换时存在安全风险。有了泛型后:

  • 编译期间确定类型,保证类型安全,放的是什么,取的也是什么,不用担心抛出 ClassCastException 异常。

  • 提升可读性,从编码阶段就显式地知道泛型集合、泛型方法等处理的对象类型是什么。

  • 泛型合并了同类型的处理代码提高代码的重用率,增加程序的通用灵活性。

举个例子:

 
public static void method1() {
    List list = new ArrayList();
    List.add(22);
    List.add("hncboy");
    List.add(new Object());
​
    for (Object o : list) {
        System.out.println(o.getClass());
    }
}
 

未使用泛型前,我们对集合可以进行任意类型的 add 操作,遍历结果都被转换成 Object 类型,因为不确定集合里存放的具体类型,输出结果如下所示。

class java.lang.Integer
class java.lang.String
class java.lang.Object

采用泛型之后,创建集合对象可以明确的指定类型,在编译期间就确定了该集合存储的类型,存储其他类型的对象编译器会报错。这时遍历集合就可以直接采用明确的 String 类型输出。

 
public static void method2() {
    List<String> list = new ArrayList();
    list.add("22");
    list.add("hncboy");
    //list.add(new Object()); 报错
for (String s : arrayList) {
        System.out.println(s);
    }
}
 

三、泛型的表示

 

泛型可以定义在类、接口、方法中,分别表示为泛型类、泛型接口、泛型方法。泛型的使用需要先声明,声明通过<符号>的方式,符号可以任意,编译器通过识别尖括号和尖括号内的字母来解析泛型。泛型的类型只能为类,不能为基本数据类型。尖括号的位置也是固定的,只能在类名之后方法返回值之前

一般泛型有约定的符号:E 代表 Element,<E> 通常在集合中使用;T 代表 Type,<T >通常用于表示类;K 代表 Key,V 代表 Value,<K, V> 通常用于键值对的表示;? 代表泛型通配符。

泛型的表达式有如下几种:

  • 普通符号 <T>

  • 无边界通配符 <?>

  • 上界通配符 <? extends E> 父类是 E

  • 下界通配符 <? super E> 是 E 的父类

四、泛型的使用

4.1 泛型类

将泛型定义在类名后,使得用户在使用该类时,根据不同情况传入不同类型。在类上定义的泛型,在实例方法中可以直接使用,不需要定义,但是静态方法上的泛型需要在静态方法上声明,不能直接使用。举个例子:

 
public class Test<T> {
    
    private T data;
​
    public T getData() {
        return data;
    }
​
    /** 这种写法是错误的,提示 T 未定义 */
    /*public static T get() {
        return null;
    }*/
    /** 正确写法,该方法上的 T 和类上的 T 虽然一样,但是是两个指代,可以完全相同,互不影响 */
    public static <T> T get() {
        return null;
    }
    
    public void setData(T data) {
        this.data = data;
    }
}
 

4.2 泛型方法

泛型方法,是在调用方法时指明的具体的泛型类型。

public class Printer{
  public <T> void printClassName(T t){
    System.out.println(t.getClass().getName());
  }
  public <T> String getClassName(T t){
    return t.getClass().getName();
  }
}

虽然类上定义的泛型,实例方法中可以直接使用,但是该方法不属于泛型方法。举个例子:get 方法为泛型方法,而且该程序能编译通过运行,因为尖括号里的每个元素都指代一种未知类型,可以为任何符号,尖括号里的 String 并非 java.lang.String 类型,而是作为泛型标识 <String>,传入的 first 为 Integer 类型,所以该 String 标识符也指代 Integer 类型,返回值自然也是 Integer 类型。不过,应该也不会用这种泛型符号定义在实际情况中。

 
public class Test {
​
    public static <String, T, Hncboy> String get(String string, Hncboy hncboy) {
        return string;
    }
​
    public static void main(String[] args) {
        Integer first = 666;
        Double second = 888.0;
        Integer result = get(first, second);
        System.out.println(result);
    }
}
 

4.3 泛型通配符

? 为泛型非限定通配符,表示类型未知,不用声明,可以匹配任意的类。该通配符只能读,不能写,且不对返回值进行操作。也可以将非限定通配符出现的地方用普通泛型标识,不过使用通配符更简洁。举个例子:

test1() 是通过通配符来输出集合的每一个元素的,test2() 和 test1() 的作用一样,只不过将通配符用 <T> 来代替了;test3() 用来演示集合在通配符的情况下写操作,发现编译器报错,int 和 String 都不属于 ? 类型,当然放不进集合,因为所有类都有 null 元素,所以可以放进集合。比如主函数传的是 List<Double>,而想要在集合里添加一个 String,这是不可能的;test4() 的写法也是错的,? 是不确定,返回值返回不了;test5() 的用法使用来比较 List<Object> 和 List<?> 的,在主函数里调用 test5(list) 报错的,显示 java: 不兼容的类型: java.util.List<java.lang.Integer>无法转换为java.util.List<java.lang.Object>,因为 List<Integer> 不是 List<Object> 的子类。

 
public class Test {
​
    public static void test1(List<?> list) {
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }
    }
​
    public static <T> void test2(List<T> list) {
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }
    }
​
    public static void test3(List<?> list) {
        //list.add(1); capture of ?
        //list.add("1"); capture of ?
        list.add(null);
    }
​
    /*public static ? test4(List<?> list) {
        return null;
    }*/
    
    public static void test5(List<Object> list) {
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);
        test1(list);
        test2(list);
        //test5(list);
    }
}
 

通过使用泛型通配符可以实现泛型的上下边界 <? extend T> 和 <? super T>

<? extends Number> 表示类型为 Number 或 Number 的子类,<? super Integer> 表示类型为 Integer 或 Integer 的父类,举个例子,method1 方法测试是上边界 Number,由于 arrayList1 和 arrayList2 的泛型都为 Number 或其子类,所以可以插入成功,而 arrayList3 的类型 String 和 Number 无关,因此编译报错。method2 方法测试的是下边界 Integer,由于 arrayList4,arrayList5 和 arrayList7 种的类型 Integer、Object 和 Number 都为 Integer 的父类,所以插入成功,而 arrayList7 的类型 Double,因此插入失败。

 
public class Generic {
    
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Integer> arrayList1 = new ArrayList<>();
        ArrayList<Number> arrayList2 = new ArrayList<>();
        ArrayList<String> arrayList3 = new ArrayList<>();
        method1(arrayList1);
        method1(arrayList2);
        //method1(arrayList3);
        
        ArrayList<Integer> arrayList4 = new ArrayList<>();
        ArrayList<Object> arrayList5 = new ArrayList<>();
        ArrayList<Number> arrayList6 = new ArrayList<>();
        ArrayList<Double> arrayList7 = new ArrayList<>();
        method2(arrayList4);
        method2(arrayList5);
        method2(arrayList6);
        //method2(arrayList7)
    }
    
    public static void method1(ArrayList<? extends Number> arrayList) {
    }
    
    public static void method2(ArrayList<? super Integer> arrayList) {
    }
}
 

 

4.4 泛型接口

泛型接口就是在接口上定义的泛型,当一个类型未确定的类实现接口时,需要声明该类型。举个例子:

 
public interface CalcGeneric<T> {
    T add(T num1, T num2);
}
​
public class CalculatorGeneric<T> implements CalcGeneric<T> {
​
    @Override
    public T add(T num1, T num2) {
        return null;
    }
}
 

4.5 泛型数组

数组是支持协变的,什么是数组的协变呢?举个例子:这段代码中,数组支持以 1 的方式定义数组,因为 Integer 是 Number 的子类,一个 Integer 对象也是一个 Number 对象,所以一个 Integer 的数组也是一个 Number 的数组,这就是数组的协变。虽然这种写法编译时能通过,但是数组实际上存储的是 Integer 对象,如果加入 Double 对象,那么在运行时就会抛出 ArrayStoreException 异常,该种设计存在缺陷。3 方式所示的定义数组方式编译错误,4 所指示的代码才是正确的。泛型是不变的,没有内建的协变类型,使用泛型的时候,类型信息在编译期会被类型擦除,所以泛型将这种错误检测移到了编译器。泛型的设计目的之一就是保证了类型安全,让这种运行时期的错误在编译期就能发现,所以泛型是不支持协变的,如 5 所示的该行代码会有编译错误,

 
public class Test {
​
    public static void main(String[] args) {
        Number[] numbers = new Integer[10]; // 1
        // java.lang.ArrayStoreException: java.lang.Double
        numbers[0] = new Double(1); // 2
        //List<String>[] list = new ArrayList<String>[10]; // 3
        List<String>[] list2 = new ArrayList[10]; // 4
        //List<Number> list3 = new ArrayList<Integer>(); // 5
    }
}
 

4.6 泛型擦除

在泛型内部,无法获得任何有关泛型参数类型的信息,泛型只在编译阶段有效,泛型类型在逻辑上可看成是多个不同的类型,但是其实质都是同一个类型。因为泛型是在JDK5之后才出现的,需要处理 JDK5之前的非泛型类库。擦除的核心动机是它使得泛化的客户端可以用非泛化的类库实现,反之亦然,这经常被称为"迁移兼容性"。

代价:泛型不能用于显式地引用运行时类型地操作之中,例如转型、instanceof 操作和 new 表达式,因为所有关于参数地类型信息都丢失了。无论何时,当你在编写这个类的代码的时候,提醒自己,他只是个Object。catch 语句不能捕获泛型类型的异常。

举个例子:这串代码的运行输出是,因此可见泛型在运行期间对类型进行了擦除。

class java.util.ArrayList
class java.util.ArrayList
true
 
public static void method1() {
    List<Integer> integerArrayList = new ArrayList();
    List<String> stringArrayList = new ArrayList();
​
    System.out.println(integerArrayList.getClass());
    System.out.println(stringArrayList.getClass());
    System.out.println(integerArrayList.getClass() == stringArrayList.getClass());
}
 

将上面的 Java 代码编译成字节码后查看也可看见两个集合都是 java/util/ArrayList

 
public static method1()V
    L0
    LINENUMBER 14 L0
    NEW java/util/ArrayList
    DUP
    INVOKESPECIAL java/util/ArrayList.<init> ()V
    ASTORE 0
    L1
    LINENUMBER 15 L1
    NEW java/util/ArrayList
    DUP
    INVOKESPECIAL java/util/ArrayList.<init> ()V
    ASTORE 1
 

因为在运行期间类型擦除的关系,可以通过反射在运行期间修改集合能添加的类,不过添加后查询该集合会抛出 ClassCastException 异常,代码如下。

 
public static void method4() throws Exception {
    ArrayList<String> stringArrayList = new ArrayList<>();
    stringArrayList.add("hnc");
    stringArrayList.add("boy");
    System.out.println("之前长度:" + stringArrayList.size());
​
    // 通过反射增加元素
    Class<?> clazz = stringArrayList.getClass();
    Method method = clazz.getDeclaredMethod("add", Object.class);
    method.invoke(stringArrayList, 60);
​
    System.out.println("之后长度:" + stringArrayList.size());
    // 存的还是 Integer 类型
    // java.lang.ClassCastException: java.lang.Integer cannot be cast to java.lang.String
    for (int i = 0; i < stringArrayList.size(); i++) {
        System.out.println(stringArrayList.get(i).getClass());
    }
}
 

五、总结

泛型在平时的学习中用到的还是挺多的。

  • 数组不支持泛型

  • 泛型的类型不能为基础数据类型

  • 泛型只在编译阶段有效