Java 基础 - 泛型机制详解

Java泛型这个特性是从JDK 1.5才开始加入的，因此为了兼容之前的版本，Java泛型的实现采取了“伪泛型”的策略，即Java在语法上支持泛型，但是在编译阶段会进行所谓的“类型擦除”（Type Erasure），将所有的泛型表示（尖括号中的内容）都替换为具体的类型（其对应的原生态类型），就像完全没有泛型一样。

1.为什么会引入泛型

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）。也就是说在泛型使用过程中，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、接口和方法中，分别被称为泛型类、泛型接口、泛型方法。

引入泛型的意义在于：

适用于多种数据类型执行相同的代码（代码复用）

我们通过一个例子来阐述，先看下下面的代码：

private static int add(int a, int b) {
    System.out.println(a + "+" + b + "=" + (a + b));
    return a + b;
}

private static float add(float a, float b) {
    System.out.println(a + "+" + b + "=" + (a + b));
    return a + b;
}

private static double add(double a, double b) {
    System.out.println(a + "+" + b + "=" + (a + b));
    return a + b;
}

如果没有泛型，要实现不同类型的加法，每种类型都需要重载一个add方法；通过泛型，我们可以复用为一个方法：

private static <T extends Number> double add(T a, T b) {
    System.out.println(a + "+" + b + "=" + (a.doubleValue() + b.doubleValue()));
    return a.doubleValue() + b.doubleValue();
}

泛型中的类型在使用时指定，不需要强制类型转换（类型安全，编译器会检查类型）

2.泛型的基本使用

泛型有三种使用方式，分别为：泛型类、泛型接口、泛型方法。

2.1 泛型类

从一个简单的泛型类看起：

class Point<T>{         // 此处可以随便写标识符号，T是type的简称  
    private T var ;     // var的类型由T指定，即：由外部指定  
    public T getVar(){  // 返回值的类型由外部决定  
        return var ;  
    }  
    public void setVar(T var){  // 设置的类型也由外部决定  
        this.var = var ;  
    }  
}  
public class GenericsDemo06{  
    public static void main(String args[]){  
        Point<String> p = new Point<String>() ;     // 里面的var类型为String类型  
        p.setVar("it") ;                            // 设置字符串  
        System.out.println(p.getVar().length()) ;   // 取得字符串的长度  
    }  
}

多元泛型

class Notepad<K,V>{       // 此处指定了两个泛型类型  
    private K key ;     // 此变量的类型由外部决定  
    private V value ;   // 此变量的类型由外部决定  
    public K getKey(){  
        return this.key ;  
    }  
    public V getValue(){  
        return this.value ;  
    }  
    public void setKey(K key){  
        this.key = key ;  
    }  
    public void setValue(V value){  
        this.value = value ;  
    }  
} 
public class GenericsDemo09{  
    public static void main(String args[]){  
        Notepad<String,Integer> t = null ;        // 定义两个泛型类型的对象  
        t = new Notepad<String,Integer>() ;       // 里面的key为String，value为Integer  
        t.setKey("汤姆") ;        // 设置第一个内容  
        t.setValue(20) ;            // 设置第二个内容  
        System.out.print("姓名；" + t.getKey()) ;      // 取得信息  
        System.out.print("，年龄；" + t.getValue()) ;       // 取得信息  
  
    }  
}

2.2 泛型接口

interface Info<T>{        // 在接口上定义泛型  
    public T getVar() ; // 定义抽象方法，抽象方法的返回值就是泛型类型  
}  
class InfoImpl<T> implements Info<T>{   // 定义泛型接口的子类  
    private T var ;             // 定义属性  
    public InfoImpl(T var){     // 通过构造方法设置属性内容  
        this.setVar(var) ;    
    }  
    public void setVar(T var){  
        this.var = var ;  
    }  
    public T getVar(){  
        return this.var ;  
    }  
} 
public class GenericsDemo24{  
    public static void main(String arsg[]){  
        Info<String> i = null;        // 声明接口对象  
        i = new InfoImpl<String>("汤姆") ;  // 通过子类实例化对象  
        System.out.println("内容：" + i.getVar()) ;  
    }  
}

2.3 泛型方法

泛型方法，是在调用方法的时候指明泛型的具体类型。

定义泛型方法语法格式

定义泛型方法语法格式

调用泛型方法语法格式
调用泛型方法语法格式

说明一下，定义泛型方法时，必须在返回值前边加一个，来声明这是一个泛型方法，持有一个泛型T，然后才可以用泛型T作为方法的返回值。 Class的作用就是指明泛型的具体类型，而Class类型的变量c，可以用来创建泛型类的对象。

为什么要用变量c来创建对象呢？既然是泛型方法，就代表着我们不知道具体的类型是什么，也不知道构造方法如何，因此没有办法去new一个对象，但可以利用变量c的newInstance方法去创建对象，也就是利用反射创建对象。

泛型方法要求的参数是Class类型，而Class.forName()方法的返回值也是Class，因此可以用Class.forName()作为参数。其中，forName()方法中的参数是何种类型，返回的Class就是何种类型。在本例中，forName()方法中传入的是User类的完整路径，因此返回的是Class类型的对象，因此调用泛型方法时，变量c的类型就是Class，因此泛型方法中的泛型T就被指明为User，因此变量obj的类型为User。 当然，泛型方法不是仅仅可以有一个参数Class，可以根据需要添加其他参数。

为什么要使用泛型方法呢？因为泛型类要在实例化的时候就指明类型，如果想换一种类型，不得不重新new一次，可能不够灵活；而泛型方法可以在调用的时候指明类型，更加灵活。

2.4 泛型的上下限

class A{}
class B extends A {}

// 如下两个方法不会报错
public static void funA(A a) {
    // ...          
}
public static void funB(B b) {
    funA(b);
    // ...             
}

// 如下funD方法会报错
public static void funC(List<A> listA) {
    // ...          
}
public static void funD(List<B> listB) {
    funC(listB); // Unresolved compilation problem: The method doPrint(List<A>) in the type test is not applicable for the arguments (List<B>)
    // ...             
}

那么如何解决呢？ 为了解决泛型中隐含的转换问题，Java泛型加入了类型参数的上下边界机制。<? extends A>表示该类型参数可以是A(上边界)或者A的子类类型。编译时擦除到类型A，即用A类型代替类型参数。这种方法可以解决开始遇到的问题，编译器知道类型参数的范围，如果传入的实例类型B是在这个范围内的话允许转换，这时只要一次类型转换就可以了，运行时会把对象当做A的实例看待。

```java
public static void funC(List<? extends A> listA) {
    // ...          
}
public static void funD(List<B> listB) {
    funC(listB); // OK
    // ...             
}

泛型上下限的引入
在使用泛型的时候，我们可以为传入的泛型类型实参进行上下边界的限制，如：类型实参只准传入某种类型的父类或某种类型的子类。

  1. 上限
class Info<T extends Number>{    // 此处泛型只能是数字类型
    private T var ;        // 定义泛型变量
    public void setVar(T var){
        this.var = var ;
    }
    public T getVar(){
        return this.var ;
    }
    public String toString(){    // 直接打印
        return this.var.toString() ;
    }
}
public class demo1{
    public static void main(String args[]){
        Info<Integer> i1 = new Info<Integer>() ;        // 声明Integer的泛型对象
    }
}
  1. 下限
class Info<T>{
    private T var ;        // 定义泛型变量
    public void setVar(T var){
        this.var = var ;
    }
    public T getVar(){
        return this.var ;
    }
    public String toString(){    // 直接打印
        return this.var.toString() ;
    }
}
public class GenericsDemo21{
    public static void main(String args[]){
        Info<String> i1 = new Info<String>() ;        // 声明String的泛型对象
        Info<Object> i2 = new Info<Object>() ;        // 声明Object的泛型对象
        i1.setVar("hello") ;
        i2.setVar(new Object()) ;
        fun(i1) ;
        fun(i2) ;
    }
    public static void fun(Info<? super String> temp){    // 只能接收String或Object类型的泛型，String类的父类只有Object类
        System.out.print(temp + ", ") ;
    }
}

小结

无限制通配符 extends 关键字声明了类型的上界，表示参数化的类型可能是所指定的类型，或者是此类型的子类 super 关键字声明了类型的下界，表示参数化的类型可能是指定的类型，或者是此类型的父类 1. 如果参数化类型表示一个 T 的生产者，使用 < ? extends T>; 2. 如果它表示一个 T 的消费者，就使用 < ? super T>； 3. 如果既是生产又是消费，那使用通配符就没什么意义了，因为你需要的是精确的参数类型。

2.5.泛型数组

List<String>[] list11 = new ArrayList<String>[10]; //编译错误，非法创建 
List<String>[] list12 = new ArrayList<?>[10]; //编译错误，需要强转类型 
List<String>[] list13 = (List<String>[]) new ArrayList<?>[10]; //OK，但是会有警告 
List<?>[] list14 = new ArrayList<String>[10]; //编译错误，非法创建 
List<?>[] list15 = new ArrayList<?>[10]; //OK 
List<String>[] list6 = new ArrayList[10]; //OK，但是会有警告

3.深入理解泛型

3.1 如何理解Java中的泛型是伪泛型？泛型中类型擦除

java泛型这个特性是从JDK 1.5才开始加入的，因此为了兼容之前的版本，Java泛型的实现采取了“伪泛型”的策略，即Java在语法上支持泛型，但是在编译阶段会进行所谓的“类型擦除”（Type Erasure），将所有的泛型表示（尖括号中的内容）都替换为具体的类型（其对应的原生态类型），就像完全没有泛型一样。理解类型擦除对于用好泛型是很有帮助的，尤其是一些看起来“疑难杂症”的问题，弄明白了类型擦除也就迎刃而解了。

泛型的类型擦除原则是：
- 消除类型参数声明，即删除<>及其包围的部分。
- 根据类型参数的上下界推断并替换所有的类型参数为原生态类型：如果类型参数是无限制通配符或没有上下界限定则替换为Object，如果存在上下界限定则根据子类替换原则取类型参数的最左边限定类型（即父类）。
- 为了保证类型安全，必要时插入强制类型转换代码。
- 自动产生“桥接方法”以保证擦除类型后的代码仍然具有泛型的“多态性”。

3.2 那么如何进行擦除的呢？

  • 擦除类定义中的类型参数 - 无限制类型擦除

当类定义中的类型参数没有任何限制时，在类型擦除中直接被替换为Object，即形如和<?>的类型参数都被替换为Object。

无限制类型擦除
  • 擦除类定义中的类型参数 - 有限制类型擦除

当类定义中的类型参数存在限制（上下界）时，在类型擦除中替换为类型参数的上界或者下界，比如形如和<? extends Number>的类型参数被替换为Number，<? super Number>被替换为Object。

有限制类型擦除
  • 擦除方法定义中的类型参数

擦除方法定义中的类型参数原则和擦除类定义中的类型参数是一样的，这里仅以擦除方法定义中的有限制类型参数为例。

擦除方法定义中的类型参数

如何证明类型的擦除呢？

  1. 原始类型相等
public class Test {

    public static void main(String[] args) {

        ArrayList<String> list1 = new ArrayList<String>();
        list1.add("abc");

        ArrayList<Integer> list2 = new ArrayList<Integer>();
        list2.add(123);

        System.out.println(list1.getClass() == list2.getClass()); // true
    }
}
  1. 通过反射添加其它类型元素
public class Test {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

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

        list.add(1);  //这样调用 add 方法只能存储整形，因为泛型类型的实例为 Integer

        list.getClass().getMethod("add", Object.class).invoke(list, "asd");

        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }
    }

}

3.3 如何理解类型擦除后保留的原始类型?

原始类型 就是擦除去了泛型信息，最后在字节码中的类型变量的真正类型，无论何时定义一个泛型，相应的原始类型都会被自动提供，类型变量擦除，并使用其限定类型（无限定的变量用Object）替换。

3.4 如何理解泛型的编译期检查？

既然说类型变量会在编译的时候擦除掉，那为什么我们往 ArrayList 创建的对象中添加整数会报错呢？不是说泛型变量String会在编译的时候变为Object类型吗？为什么不能存别的类型呢？既然类型擦除了，如何保证我们只能使用泛型变量限定的类型呢？

Java编译器是通过先检查代码中泛型的类型，然后在进行类型擦除，再进行编译。

public class Test {  

    public static void main(String[] args) {  

        ArrayList<String> list1 = new ArrayList();  
        list1.add("1"); //编译通过  
        list1.add(1); //编译错误  
        String str1 = list1.get(0); //返回类型就是String  

        ArrayList list2 = new ArrayList<String>();  
        list2.add("1"); //编译通过  
        list2.add(1); //编译通过  
        Object object = list2.get(0); //返回类型就是Object  

        new ArrayList<String>().add("11"); //编译通过  
        new ArrayList<String>().add(22); //编译错误  

        String str2 = new ArrayList<String>().get(0); //返回类型就是String  
    }  
}

通过上面的例子，我们可以明白，类型检查就是针对引用的，谁是一个引用，用这个引用调用泛型方法，就会对这个引用调用的方法进行类型检测，而无关它真正引用的对象。

泛型中参数话类型为什么不考虑继承关系？

3.5 如何理解泛型的多态？泛型的桥接方法

类型擦除会造成多态的冲突，而JVM解决方法就是桥接方法。

3.6 如何理解基本类型不能作为泛型类型？

比如，我们没有ArrayList，只有ArrayList, 为何？

因为当类型擦除后，ArrayList的原始类型变为Object，但是Object类型不能存储int值，只能引用Integer的值。

另外需要注意，我们能够使用list.add(1)是因为Java基础类型的自动装箱拆箱操作。

3.7 如何理解泛型类型不能实例化？

不能实例化泛型类型, 这本质上是由于类型擦除决定的：

T test = new T(); // ERROR

因为在 Java 编译期没法确定泛型参数化类型，也就找不到对应的类字节码文件，所以自然就不行了，此外由于T 被擦除为 Object，如果可以 new T() 则就变成了 new Object()，失去了本意。
   
如果我们确实需要实例化一个泛型，应该如何做呢？可以通过反射实现

static <T> T newTclass (Class < T > clazz) throws InstantiationException, IllegalAccessException {
    T obj = clazz.newInstance();
    return obj;
}

3.8 泛型数组：能不能采用具体的泛型类型进行初始化？

3.9 泛型数组：如何正确的初始化泛型数组实例

public class ArrayWithTypeToken<T> {
    private T[] array;

    public ArrayWithTypeToken(Class<T> type, int size) {
        array = (T[]) Array.newInstance(type, size);
    }

    public void put(int index, T item) {
        array[index] = item;
    }

    public T get(int index) {
        return array[index];
    }

    public T[] create() {
        return array;
    }
}
//...

ArrayWithTypeToken<Integer> arrayToken = new ArrayWithTypeToken<Integer>(Integer.class, 100);
Integer[] array = arrayToken.create();

所以使用反射来初始化泛型数组算是优雅实现，因为泛型类型 T在运行时才能被确定下来，我们能创建泛型数组也必然是在 Java 运行时想办法，而运行时能起作用的技术最好的就是反射了。

参考链接：https://pdai.tech/md/java/basic/java-basic-x-generic.html

一条小咸鱼