Java的泛型

全栈程序员站长

发布于 2022-09-08 10:51:46

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发布于 2022-09-08 10:51:46

文章被收录于专栏：全栈程序员必看

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

使用Java的小伙伴，对于Java的一些高级特性一定再熟悉不过了，例如集合、反射、泛型、注解等等，这些可以说我们在平时开发中是经常使用到的，尤其是集合，基本是只要写代码没有用不到的，今天我们先来谈谈泛型。

1. 定义

在了解一个事物之前，我们必定要先知道他的定义，所以我们就从定义开始，去一步一步揭开泛型的神秘面纱。

# 泛型（generics）
    他是 JDK5 中引入的一个新特性，泛型提供了编译时类型安全监测机制，该机制允许我们在编译时检测到非法的类型数据结构。泛型的本质就是参数化类型，也就是所操作的数据类型被指定为一个参数
    
# 常见的泛型的类型表示
上面的 T 仅仅类似一个形参的作用，名字实际上是可以任意起的，但是我们写代码总该是要讲究可读性的。常见的参数通常有 :
    E - Element (在集合中使用，因为集合中存放的是元素)
    T - Type（表示Java 类，包括基本的类和我们自定义的类）
    K - Key（表示键，比如Map中的key）
    V - Value（表示值）
    ? - （表示不确定的java类型）
但是泛型的参数只能是类类型，不能是基本的数据类型，他的类型一定是自Object的

注意：泛型不接受基本数据类型，换句话说，只有引用类型才能作为泛型方法的实际参数

2. 为什么要使用泛型？

说到为什么要使用，那肯定是找一大堆能说服自己的优点啊。

# 泛型的引入，是java语言的来讲是一个较大的功能增强。同时对于编译器也带来了一定的增强，为了支持泛型，java的类库都做相应的修改以支持泛型的特性。
（科普：实际上java泛型并不是 jdk5（2004发布了jdk5） 才提出来的，早在1999年的时候，泛型机制就是java最早的规范之一）

另外，泛型还具有以下的优点：

# 1.提交了java的类型安全
    泛型在很大程度上来提高了java的程序安全。例如在没有泛型的情况下，很容易将字符串 123 转成 Integer 类型的 123 亦或者 Integer 转成 String，而这样的错误是在编译期无法检测。而使用泛型，则能很好的避免这样的情况发生。

# 2.不需要烦人的强制类型转换
    泛型之所以能够消除强制类型转换，那是因为程序员在开发的时候就已经明确了自己使用的具体类型，这不但提高了代码的可读性，同样增加了代码的健壮性。
    
# 提高了代码的重用性
    泛型的程序设计，意味着编写的代码可以被很多不同类型的对象所重用

在泛型规范正式发布之前，泛型的程序设计是通过继承来实现的，但是这样子有两个严重的问题：

① 取值的时候需要强制类型转换，否则拿到的都是 Object

② 编译期不会有错误检查

我们来看下这两个错误的产生

2.1 编译期不会有错误检查

public class DonCheckInCompile {
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        list.add("a");
        list.add(3);
        System.out.println(list);
    }
}

程序不但不会报错，还能正常输出

2.2 强制类型转换

public class DonCheckInCompile {
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        list.add("a");
        list.add(3);
        for (Object o : list) {
            System.out.println((String)o);
        }
    }
}

因为你并不知道实际集合中的元素到底是哪些类型的，所以在使用的时候也是不确定的，如果在强转的时候，那必然会带来意想不到的错误，这样潜在的问题就好像是定时炸弹，肯定是不允许发生的。所以这就更体现了泛型的重要性。

3. 泛型方法

在 java 中，泛型方法可以使用在成员方法、构造方法和静态方法中。语法如下：

public <申明泛型的类型> 类型参数 fun()；如 public <T> T fun(T t)；这里的 T 表示一个泛型类型，而 <T> 表示我们定义了一个类型为 T 的类型，这样的 T 类型就可以直接使用了，且<T> 需要放在方法的返回值类型之前。T 即在申明的时候是不知道具体的类型的，只有的使用的时候才能明确其类型，T 不是一个类，但是可以当作是一种类型来使用。

下面来通过具体的例子来解释说明，以下代码将数组中的指定的两个下标位置的元素进行交换（不要去关注实际的需求是什么），第一种 Integer 类型的数组

public class WildcardCharacter {
    public static void main(String[] args) {
        Integer[] arrInt = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
        change(arrInt, 0, 8);
        System.out.println("arr = " + Arrays.asList(arrInt));
    }

    /**
     * 将数组中的指定两个下标位置的元素交换
     *
     * @param arr         数组
     * @param firstIndex  第一个下标
     * @param secondIndex 第二个下标
     */
    private static void change(Integer[] arr, int firstIndex, int secondIndex) {
        int tmp = arr[firstIndex];
        arr[firstIndex] = arr[secondIndex];
        arr[secondIndex] = tmp;
    }
}

第二种是 String 类型的数组

编译直接都不会通过，那是必然的，因为方法定义的参数就是 Integer[] 结果你传一个 String[]，玩呢。。。所以这个时候只能是再定义一个参数类型是 String[]的。

那要是再来一个 Double 呢？Boolean 呢？是不是这就产生问题了，虽然说这种问题不是致命的，多写一些重复的代码就能解决，但这势必导致代码的冗余和维护成本的增加。所以这个时候泛型的作用就体现了，我们将其改成泛型的方式。

   /**
     * @param t           参数类型 T
     * @param firstIndex  第一个下标
     * @param secondIndex 第二个下标
     * @param <T>         表示定义了一个类型 为 T 的类型，否则没人知道 T 是什么，编译期也不知道
     */
    private static <T> void changeT(T[] t, int firstIndex, int secondIndex) {
        T tmp = t[firstIndex];
        t[firstIndex] = t[secondIndex];
        t[secondIndex] = tmp;
    }

接下来调用就简单了

 public static void main(String[] args) {
        //首先定义一个Integer类型的数组
        Integer[] arrInt = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
        //将第 1 个和第 9 个位置的元素进行交换
        changeT(arrInt, 0, 8);
        System.out.println("arrInt = " + Arrays.asList(arrInt));
        // 然后在定义一个String类型的数组
        String[] arrStr = {"a", "b", "c", "d", "e", "f", "g"};
        //将第 1 个和第 2 个位置的元素进行交换
        changeT(arrStr, 0, 1);
         System.out.println("arrStr = " + Arrays.asList(arrStr));
    }

问题迎刃而解，至于普通的泛型方法和静态的泛型方法是一样的使用，只不过是一个数据类一个属于类的实例的，在使用上区别不大（但是需要注意的是如果在泛型类中静态泛型方法是不能使用类泛型中的泛型类型的，这个在下文的泛型类中会详细介绍的）。

最后在来看下构造方法

public class Father {
    public <T> Father(T t) {
    }
}

然后假设他有一个子类是这样子的

class Son extends Father {

    public <T> Son(T t) {
        super(t);
    }
}

这里强调一下，因为在 Father 类中是没有无参构造器的，取而代之的是一个有参的构造器，只不过这个构造方法是一个泛型的方法，那这样子的子类必然需要显示的指明构造器了。

通过泛型方法获取集合中的元素测试

既然说泛型是在申明的时候类型不是重点，只要事情用的时候确定就可以下，那你看下面这个怎么解释？

此时想往集合中添加元素，却提示这样的错误，连编译都过不了。这是为什么？

因为此时集合 List<T> 的 add 方法，添加的类型为 T，但是很显然 T 是一个泛型，真正的类型是在使用时候才能确定的，但是在 add 的并不能确定 T 的类型，所以根本就无法使用 add 方法，除非 list.add(null)，但是这却没有任何意义。

4. 泛型类

先来看一段这样的代码，里面的使用到了多个泛型的方法，无需关注方法到底做了什么

public class GenericClassTest{
    public static void main(String[] args) {
        //首先定义一个Integer类型的数组
        Integer[] arrInt = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
        //将第 1 个和第 9 个位置的元素进行交换

       new GenericClassTest().changeT(arrInt, 0, 8);
        System.out.println("arrInt = " + Arrays.asList(arrInt));

        List<String> list = Arrays.asList("a", "b");
        testIter(list);
    }

    /**
     * @param t           参数类型 T
     * @param firstIndex  第一个下标
     * @param secondIndex 第二个下标
     * @param <T>         表示定义了一个类型 为 T 的类型，否则没人知道 T 是什么，编译期也不知道
     */
    private <T> void changeT(T[] t, int firstIndex, int secondIndex) {
        T tmp = t[firstIndex];
        t[firstIndex] = t[secondIndex];
        t[secondIndex] = tmp;
    }

    /**
     * 遍历集合
     *
     * @param list 集合
     * @param <T>  表示定义了一个类型 为 T 的类型，否则没人知道 T 是什么，编译期也不知道
     */
    private static <T> void testIter(List<T> list) {
        for (T t : list) {
            System.out.println("t = " + t);
        }
    }
}

可以看到里面的 <T> 是不是每个方法都需要去申明一次，那要是 100 个方法呢？那是不是要申明 100 次的，这样时候泛型类也就应用而生了。那泛型类的形式是什么样子的呢？请看代码

public class GenericClazz<T>{
    //这就是一个最基本的泛型类的样子
}

下面我们将刚刚的代码优化如下，但是这里不得不说一个很基础，但是却很少有人注意到的问题，请看下面的截图中的文字描述部分。

# 为什么实例方法可以，而静态方法却报错？
1. 首先告诉你结论：静态方法不能使用类定义的泛型，而是应该单独定义泛型
2. 到这里估计很多小伙伴就瞬间明白了，因为静态方法是通过类直接调用的，而普通方法必须通过实例来调用，类在调用静态方法的时候，后面的泛型类还没有被创建，所以肯定不能这么去调用的

所以说这个泛型类中的静态方法直接这么写就可以啦

    /**
     * 遍历集合
     *
     * @param list 集合
     */
    private static <K> void testIter(List<K> list) {
        for (K t : list) {
            System.out.println("t = " + t);
        }
    }

多个泛型类型同时使用

我们知道 Map 是键值对形式存在，所以如果对 Map 的 Key 和 Value 都使用泛型类型该怎么办？一样的使用，一个静态方法就可以搞定了，请看下面的代码

public class GenericMap {

    private static <K, V> void mapIter(Map<K, V> map) {
        for (Map.Entry<K, V> kvEntry : map.entrySet()) {
            K key = kvEntry.getKey();
            V value = kvEntry.getValue();
            System.out.println(key + ":" + value);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Map<String, String> mapStr = new HashMap<>();
        mapStr.put("a", "aa");
        mapStr.put("b", "bb");
        mapStr.put("c", "cc");
        mapIter(mapStr);
        System.out.println("======");
        Map<Integer, String> mapInteger = new HashMap<>();
        mapInteger.put(1, "11");
        mapInteger.put(2, "22");
        mapInteger.put(3, "33");
        mapIter(mapInteger);
    }
}

到此，泛型的常规的方法和泛型类已经介绍为了。

5. 通配符

通配符 ? 即占位符的意思，也就是在使用期间是无法确定其类型的，只有在将来实际使用时再指明类型，它有三种形式

<?> 无限定的通配符。是让泛型能够接受未知类型的数据
< ? extends E>有上限的通配符。能接受指定类及其子类类型的数据，E就是该泛型的上边界
<? super E>有下限的通配符。能接受指定类及其父类类型的数据,E就是该泛型的下边界

5.1 通配符之 <?>

上面刚刚说到了使用一个类型来表示反省类型是必须要申明的，也即 <T> ，那是不是不申明就不能使用泛型呢？当然不是，这小节介绍的 <?> 就是为了解决这个问题的。

<?> 表示，但是话又说话来了，那既然可以不去指明具体类型，那 ? 就不能表示一个具体的类型也就是说如果按照原来的方式这么去写，请看代码中的注释

而又因为任何类型都是 Object 的子类，所以，这里可以使用 Object 来接收，对于 ? 的具体使用会在下面两小节介绍

另外，大家要搞明白泛型和通配符不是一回事

5.2 通配符之 <? extend E>

<? extend E> 表示有上限的通配符，能接受其类型和其子类的类型 E 指上边界，还是写个例子来说明

public class GenericExtend {
    public static void main(String[] args) {
        List<Father> listF = new ArrayList<>();
        List<Son> listS = new ArrayList<>();
        List<Daughter> listD = new ArrayList<>();
        testExtend(listF);
        testExtend(listS);
        testExtend(listD);
    }

    private static <T> void testExtend(List<? extends Father> list) {}
}

class Father {}

class Daughter extends Father{}

class Son extends Father {    
}

这个时候一切都还是很和平的，因为大家都遵守着预定，反正 List 中的泛型要么是 Father 类，要么是 Father 的子类。但是这个时候如果这样子来写（具体原因已经在截图中写明了）

5.3 通配符之 <？super E>

<？super E> 表示有下限的通配符。也就说能接受指定类型及其父类类型，E 即泛型类型的下边界，直接上来代码然后来解释

public class GenericSuper {

    public static void main(String[] args) {
        List<Son> listS = new Stack<>();
        List<Father> listF = new Stack<>();
        List<GrandFather> listG = new Stack<>();
        testSuper(listS);
        testSuper(listF);
        testSuper(listG);
        
    }
    private static void testSuper(List<? super Son> list){}
}
class Son extends Father{}
class Father extends GrandFather{}
class GrandFather{}

因为 List<? super Son> list 接受的类型只能是 Son 或者是 Son 的父类，而 Father 和 GrandFather 又都是 Son 的父类，所以以上程序是没有任何问题的，但是如果再来一个类是 Son 的子类（如果不是和 Son 有关联的类那更不行了），那结果会怎么样？看下图，相关重点已经在图中详细说明

好了，其实泛型说到这里基本就差不多了，我们平时开发能遇到的问题和不常遇见的问题本文都基本讲解到了。最后我们再来一起看看泛型的另一个特性：泛型擦除。

6. 泛型擦除

先来看下泛型擦除的定义

# 泛型擦除
	因为泛型的信息只存在于 java 的编译阶段，编译期编译完带有 java 泛型的程序后，其生成的 class 文件中与泛型相关的信息会被擦除掉，以此来保证程序运行的效率并不会受影响，也就说泛型类型在 jvm 中和普通类是一样的。

别急，知道你看完概念肯定还是不明白什么叫泛型擦除，举个例子

public class GenericWipe {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> listStr = new ArrayList<>();
        List<Integer> listInt = new ArrayList<>();
        List<Double> listDou = new ArrayList<>();

        System.out.println(listStr.getClass());
        System.out.println(listInt.getClass());
        System.out.println(listDou.getClass());

    }
}

这也就是说 java 泛型在生成字节码以后是根本不存在泛型类型的，甚至是在编译期就会被抹去，说来说去好像并没有将泛型擦除说的很透彻，下面我们就以例子的方式来一步一步证明

通过反射验证编译期泛型类型被擦除

class Demo1 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        //到这里是没有任何问题的，正常的一个 集合类的添加元素
        list.add(1024);
        list.forEach(System.out::println);
        System.out.println("-------通过反射证明泛型类型编译期间被擦除-------");
        //反射看不明白的小伙伴不要急，如果想看反射的文章，请留言反射，我下期保证完成
        list.getClass().getMethod("add", Object.class).invoke(list, "9527");
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println("value = " + list.get(i));
        }
    }
}

打印结果如下：

但是直接同一个反射似乎并不能让小伙伴们买账，我们为了体验差异，继续写一个例子

class Demo1 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //List<E>  实际上就是一个泛型，所以我们就不去自己另外写泛型类来测试了
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        //到这里是没有任何问题的，正常的一个 集合类的添加元素
        list.add(1024);
        list.forEach(System.out::println);
        System.out.println("-------通过反射证明泛型类型编译期间被擦除-------");
        list.getClass().getMethod("add", Object.class).invoke(list, "9527");
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println("value = " + list.get(i));
        }

        //普通的类
        FanShe fanShe = new FanShe();
        //先通过正常的方式为属性设置值
        fanShe.setStr(1111);
        System.out.println(fanShe.getStr());
        //然后通过同样的方式为属性设置值 不要忘记上面的List  是 List<E> 是泛型哦！不要连最基本的知识都忘记了
        fanShe.getClass().getMethod("setStr", Object.class).invoke(list, "2222");
        System.out.println(fanShe.getStr());
    }
}
//随便写一个类
class FanShe{
    private Integer str;
    public void setStr(Integer str) {
        this.str = str;
    }

    public Integer getStr() {
        return str;
    }
}

测试结果显而易见，不是泛型的类型是不能通过反射去修改类型赋值的。

由于泛型擦除带来的自动类型转换

因为泛型的类型擦除问题，导致所有的泛型类型变量被编译后都会被替换为原始类型。既然都被替换为原始类型，那么为什么我们在获取的时候，为什么不需要强制类型转换？

下面这么些才是一个标准的带有泛型返回值的方法。

public class TypeConvert {
    public static void main(String[] args) {

        //调用方法的时候返回值就是我们实际传的泛型的类型
        MyClazz1 myClazz1 = testTypeConvert(MyClazz1.class);
        MyClazz2 myClazz2 = testTypeConvert(MyClazz2.class);
    }
    private static <T> T testTypeConvert(Class<T> tClass){
        //只需要将返回值类型转成实际的泛型类型 T 即可
        return (T) tClass;
    }
}

class MyClazz1{}
class MyClazz2{}