Java 之泛型详解

艾伦耶格尔

发布于 2025-08-28 14:12:50

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代码可运行

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代码可运行

1. 泛型是什么？

泛型是 Java 中一种强大的机制，它允许你编写可以与多种数据类型一起工作的代码，而无需在编译时指定具体的类型。这样可以提高代码的灵活性、可读性和安全性。

2. 为什么要使用泛型？

泛型可以帮助我们编写更安全、更灵活、更易于维护的代码。具体来说，它带来的优势有：

类型安全： 泛型可以帮助你在编译阶段就发现类型错误，例如将字符串放入整数类型的容器中。这避免了运行时出现类型转换错误，提高了程序的稳定性和可靠性。
代码重用： 泛型可以让你编写一次代码，就可以适用于多种数据类型。例如，我们可以编写一个通用的排序算法，它可以对任何类型的数组进行排序，而无需编写多个版本的排序算法。
可读性： 泛型可以使代码更易于理解，因为你能够明确地知道容器中存放的是什么类型的对象。例如，List<String> 比 List 更能清晰地表明该列表存放的是字符串类型。

3. 泛型如何使用？

3.1 定义泛型类

// 定义一个泛型类，类型参数为 T
public class GenericClass<T> {
    private T data;

    // 构造函数
    public GenericClass(T data) {
        this.data = data;
    }

    // 获取数据的方法
    public T getData() {
        return data;
    }
}

3.2 使用泛型类

// 使用 Integer 类型创建 GenericClass 实例
GenericClass<Integer> integerGeneric = new GenericClass<>(10);

// 使用 String 类型创建 GenericClass 实例
GenericClass<String> stringGeneric = new GenericClass<>("Hello");

// 获取数据
System.out.println("Integer data: " + integerGeneric.getData()); // 输出：Integer data: 10
System.out.println("String data: " + stringGeneric.getData()); // 输出：String data: Hello

3.3 定义泛型方法

public class GenericMethods {
    // 定义一个泛型方法，类型参数为 T
    public static <T> void printArray(T[] array) {
        for (T element : array) {
            System.out.print(element + " ");
        }
        System.out.println();
    }
}

// 使用泛型方法
public static void main(String[] args) {
    Integer[] intArray = {1, 2, 3};
    String[] strArray = {"a", "b", "c"};

    // 使用泛型方法打印数组
    GenericMethods.printArray(intArray); // 输出：1 2 3
    GenericMethods.printArray(strArray); // 输出：a b c
}

4. 泛型使用场景

集合类： 常见的集合类如 ArrayList、HashMap 等都使用了泛型，可以存放特定类型的对象。例如，ArrayList<String> 用于存放字符串，HashMap<String, Integer> 用于存放键值对，其中键是字符串类型，值是整数类型。

// 使用 ArrayList 存储字符串
List<String> names = new ArrayList<>();
names.add("John");
names.add("Jane");
names.add("Peter");

// 使用 HashMap 存储键值对
Map<String, Integer> ages = new HashMap<>();
ages.put("John", 30);
ages.put("Jane", 25);
ages.put("Peter", 28);

工具类： 泛型可以用来编写通用的工具类，例如数据转换、比较等。例如，我们可以编写一个通用的排序算法，它可以对任何类型的数组进行排序，而无需编写多个版本的排序算法。

public class SortUtils {
    public static <T extends Comparable<T>> void sort(T[] array) {
        // 使用冒泡排序算法对数组进行排序
        for (int i = 0; i < array.length - 1; i++) {
            for (int j = 0; j < array.length - i - 1; j++) {
                if (array[j].compareTo(array[j + 1]) > 0) {
                    T temp = array[j];
                    array[j] = array[j + 1];
                    array[j + 1] = temp;
                }
            }
        }
    }
}

自定义数据结构： 在实现自定义数据结构时，可以使用泛型来提高代码的可读性和可维护性。例如，我们可以使用泛型来实现一个简单的栈数据结构：

public class GenericStack<T> {
    private T[] data;
    private int top;

    public GenericStack(int capacity) {
        this.data = (T[]) new Object[capacity];
        this.top = -1;
    }

    public void push(T element) {
        if (top == data.length - 1) {
            throw new StackOverflowError();
        }
        data[++top] = element;
    }

    public T pop() {
        if (top == -1) {
            throw new EmptyStackException();
        }
        return data[top--];
    }

    public T peek() {
        if (top == -1) {
            throw new EmptyStackException();
        }
        return data[top];
    }

    public boolean isEmpty() {
        return top == -1;
    }
}

5. 泛型的好处

类型安全: 泛型可以帮助我们在编译阶段就发现类型错误，例如将字符串放入整数类型的容器中。这避免了运行时出现类型转换错误，提高了程序的稳定性和可靠性。因为在编译阶段就能发现类型错误，所以可以避免运行时出现异常，使得程序更加稳定。
代码重用: 泛型可以让你编写一次代码，就可以适用于多种数据类型。例如，我们可以编写一个通用的排序算法，它可以对任何类型的数组进行排序，而无需编写多个版本的排序算法。这使得代码更简洁，更容易维护，也减少了重复代码。
可读性: 泛型可以使代码更易于理解，因为你能够明确地知道容器中存放的是什么类型的对象。例如，List<String> 比 List 更能清晰地表明该列表存放的是字符串类型。这使得代码更容易被理解和维护。
代码维护性: 由于泛型可以有效地提高代码的可读性和可维护性，因此可以减少代码的维护成本。

6. 泛型特点

类型参数可以是任何类型，包括基本数据类型和自定义类型。
类型参数只能在类定义和方法定义中使用。
编译器会对泛型代码进行类型检查，确保类型安全。
泛型类型擦除： 在编译过程中，泛型类型会被擦除，这意味着在运行时，泛型类型信息将不可用。

7. 泛型应用示例

7.1 编写一个简单的泛型 Pair 类

public class Pair<K, V> {
    private K key;
    private V value;

    public Pair(K key, V value) {
        this.key = key;
        this.value = value;
    }

    public K getKey() {
        return key;
    }

    public V getValue() {
        return value;
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个字符串键值对
        Pair<String, String> stringPair = new Pair<>("name", "John Doe");
        System.out.println("Key: " + stringPair.getKey() + ", Value: " + stringPair.getValue());

        // 创建一个整数键值对
        Pair<Integer, Integer> integerPair = new Pair<>(1, 2);
        System.out.println("Key: " + integerPair.getKey() + ", Value: " + integerPair.getValue());
    }
}

7.2 使用泛型实现一个简单的缓存

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class GenericCache<K, V> {
    private Map<K, V> cache = new HashMap<>();

    public V get(K key) {
        return cache.get(key);
    }

    public void put(K key, V value) {
        cache.put(key, value);
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个字符串缓存
        GenericCache<String, String> stringCache = new GenericCache<>();
        stringCache.put("name", "John Doe");
        System.out.println("Name: " + stringCache.get("name")); // 输出：Name: John Doe

        // 创建一个整数缓存
        GenericCache<Integer, Integer> integerCache = new GenericCache<>();
        integerCache.put(1, 2);
        System.out.println("Value: " + integerCache.get(1)); // 输出：Value: 2
    }
}

7.3 泛型方法示例

这段代码是一个泛型方法，用于根据给定的 id 在 personList 中查找并返回对应的对象。

/**
 * 根据给定的 ID 查找 personList 中的对象。
 *
 * @param id 要查找的对象 ID
 * @return 找到的对象，如果未找到则返回 null
 * @throws IllegalAccessException 如果访问字段时出现非法访问异常
 */
public <T> T findById(int id) throws IllegalAccessException {
    // 遍历 personList 中的每一个元素
    for (int i = 0; i < personList.size(); i++) {
        // 将当前元素强制转换为泛型 T
        T person = (T) personList.get(i);
        // 获取当前对象的类类型
        Class clazz = person.getClass();
        // 获取该类的所有字段列表
        List<Field> allFieldList = getAllField(clazz);
        
        // 遍历所有字段
        for (Field field : allFieldList) {
            // 设定字段可访问
            field.setAccessible(true);
            // 检查字段的值是否等于传入的 ID
            if (field.get(personList.get(i)).equals(id)) {
                // 找到匹配的对象，返回它
                return person;
            }
        }
    }
    // 如果没有找到，返回 null
    return null;
}

总结： 泛型是 Java 中一个强大的工具，它可以使你的代码更灵活、更安全、更易于阅读和维护。通过泛型，你可以编写一次代码，就可以适用于多种数据类型，从而减少代码冗余和错误。希望这篇文章能够帮助各位看官理解泛型的概念和应用，并将其应用到你的 Java 开发中。感谢各位看官的观看，下期见，谢谢~

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