Java基础-泛型

（1）泛型的基本使用

一、泛型的基本概念

 泛型的定义：泛型是JDK 1.5的一项新特性，它的本质是参数化类型（Parameterized Type）的应用，也就是说所操作的数据类型被指定为一个参数，在用到的时候在指定具体的类型。这种参数类型可以用在类、接口和方法的创建中，分别称为泛型类、泛型接口和泛型方法。

泛型思想早在C++语言的模板（Templates）中就开始生根发芽，在Java语言处于还没有出现泛型的版本时，只能通过Object是所有类型的父类和类型强制转换两个特点的配合来实现类型泛化。例如在哈希表的存取中，JDK 1.5之前使用HashMap的get()方法，返回值就是一个Object对象，由于Java语言里面所有的类型都继承于java.lang.Object，那Object转型为任何对象成都是有可能的。但是也因为有无限的可能性，就只有程序员和运行期的虚拟机才知道这个Object到底是个什么类型的对象。在编译期间，编译器无法检查这个Object的强制转型是否成功，如果仅仅依赖程序员去保障这项操作的正确性，许多ClassCastException的风险就会被转嫁到程序运行期之中。

  泛型技术在C#和Java之中的使用方式看似相同，但实现上却有着根本性的分歧，C#里面泛型无论在程序源码中、编译后的IL中（Intermediate Language，中间语言，这时候泛型是一个占位符）或是运行期的CLR中都是切实存在的，List<int>与List<String>就是两个不同的类型，它们在系统运行期生成，有自己的虚方法表和类型数据，这种实现称为类型膨胀，基于这种方法实现的泛型被称为真实泛型。

  Java语言中的泛型则不一样，它只在程序源码中存在，在编译后的字节码文件中，就已经被替换为原来的原始类型（Raw Type，也称为裸类型）了，并且在相应的地方插入了强制转型代码，因此对于运行期的Java语言来说，ArrayList<int>与ArrayList<String>就是同一个类。所以说泛型技术实际上是Java语言的一颗语法糖，Java语言中的泛型实现方法称为类型擦除，基于这种方法实现的泛型被称为伪泛型。（类型擦除在后面在学习）

  使用泛型机制编写的程序代码要比那些杂乱的使用Object变量，然后再进行强制类型转换的代码具有更好的安全性和可读性。泛型对于集合类来说尤其有用。

  泛型程序设计（Generic Programming）意味着编写的代码可以被很多不同类型的对象所重用。

案例分析：

   在JDK1.5之前，Java泛型程序设计是用继承来实现的。因为Object类是所用类的基类，所以只需要维持一个Object类型的引用即可。就比如ArrayList只维护一个Object引用的数组：

public class ArrayList//JDK1.5之前的
{
    public Object get(int i){......}
    public void add(Object o){......}
    ......
    private Object[] elementData;
}

这样会有两个问题：

1、没有错误检查，可以向数组列表中添加类的对象

2、在取元素的时候，需要进行强制类型转换

这样，很容易发生错误，比如：

        /**jdk1.5之前的写法，容易出问题*/
        ArrayList arrayList1=new ArrayList();
        arrayList1.add(1);
        arrayList1.add(1L);
        arrayList1.add("asa");
        int i=(Integer) arrayList1.get(1);//因为不知道取出来的值的类型，类型转换的时候容易出错

还要明白的是，泛型特性是向前兼容的。尽管 JDK 5.0 的标准类库中的许多类，比如集合框架，都已经泛型化了，但是使用集合类（比如 HashMap 和 ArrayList）的现有代码可以继续不加修改地在 JDK 1.5 中工作。当然，没有利用泛型的现有代码将不会赢得泛型的类型安全的好处。 

在学习泛型之前，简单介绍下泛型的一些基本术语，以ArrayList<E>和ArrayList<Integer>做简要介绍：

整个成为ArrayList<E>泛型类型

ArrayList<E>中的 E称为类型变量或者类型参数

整个ArrayList<Integer> 称为参数化的类型

ArrayList<Integer>中的integer称为类型参数的实例或者实际类型参数

ArrayList<Integer>中的<Integer>念为typeof   Integer

ArrayList称为原始类型 

二、泛型的使用
泛型的参数类型可以用在类、接口和方法的创建中，分别称为泛型类、泛型接口和泛型方法。下面看看具体是如何定义的。

1、泛型类的定义和使用

一个泛型类（generic class）就是具有一个或多个类型变量的类。定义一个泛型类十分简单，只需要在类名后面加上<>，再在里面加上类型参数：

class Pair<T> {
    private T value;
        public Pair(T value) {
                this.value=value;
        }
        public T getValue() {
        return value;
    }
    public void setValue(T value) {
        this.value = value;
    }
}

使用泛型：

public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Pair<String> pair=new Pair<String>("Hello");
        String str=pair.getValue();
        System.out.println(str);
        pair.setValue("World");
        str=pair.getValue();
        System.out.println(str);
    }

Pair类引入了一个类型变量T，用尖括号<>括起来，并放在类名的后面。泛型类可以有多个类型变量。例如，可以定义Pair类，其中第一个域和第二个域使用不同的类型：

public class Pair<T,U>{......}

注意：类型变量使用大写形式，且比较短，这是很常见的。在Java库中，使用变量E表示集合的元素类型，K和V分别表示关键字与值的类型。（需要时还可以用临近的字母U和S）表示“任意类型”。

2，泛型接口的定义和使用

   定义泛型接口和泛型类，差不多，下面用例子说明：

interface Show<T,U>{
    void show(T t,U u);
}
class showTest implements Show<String, Date>{

    @Override
    public void show(String s, Date date) {
        System.out.println("s = " + s);
        System.out.println("date = " + date);
    }
}

public class GenericCast {
    public static void main(String[] args) {
        showTest test=new showTest();
        test.show("Hello", new Date());
    }
}

3,泛型方法的定义和使用

 泛型类在多个方法签名之间形成类型约束，在List<V>中，类型参数V出现在get()、add()、contains()等方法签名中。当创建一个Map<K,V>类型变量时，你就在方法之间宣称一个类型约束，你传给的add()值将于get()的返回值类型相同。

类似地，之所以申明泛型方法，一般的是因为你想要的在该方法的多个参数上宣称一个类型约束。

举个简单的例子：

public class GenericCast {
    public static void main(String[] args) {
        /*showTest test=new showTest();
        test.show("Hello", new Date());*/

        String s = get("Hello", "World");
        System.out.println("s = " + s);

    }
    //泛型方法的使用
    public static <T,U> T get(T t,U u){
        if(u!=null){
            return t;
        }
        return null;
    }
}

4，泛型变量的类型限定

  

在上面，我们简单的学习了泛型类、泛型接口和泛型方法。我们都是直接使用<T>这样的形式来完成泛型类型的声明。

有的时候，类、接口或方法需要对类型变量加以约束。看下面的例子：

有这样一个简单的泛型方法：

public static <T> T get(T t1,T t2) {
        if(t1.compareTo(t2)>=0);//编译错误
        return t1;
    }

因为，在编译之前，也就是我们还在定义这个泛型方法的时候，我们并不知道这个泛型类型T，到底是什么类型，所以，只能默认T为原始类型Object。所以它只能调用来自于Object的那几个方法，而不能调用compareTo方法。
可我的本意就是要比较t1和t2，怎么办呢？这个时候，就要使用类型限定，对类型变量T设置限定（bound）来做到这一点。

我们知道，所有实现Comparable接口的方法，都会有compareTo方法。所以，可以对<T>做如下限定：

public static <T extends Comparable> T get(T t1,T t2) { //添加类型限定
        if(t1.compareTo(t2)>=0);
        return t1;
    }

类型限定在泛型类、泛型接口和泛型方法中都可以使用，不过要注意下面几点：

1、不管该限定是类还是接口，统一都使用关键字 extends

2、可以使用&符号给出多个限定，比如

    public static <T extends Comparable&Serializable> T get(T t1,T t2)

3、如果限定既有接口也有类，那么类必须只有一个，并且放在首位置

public static <T extends Object&Comparable&Serializable> T get(T t1,T t2)

二、泛型的内部原理：类型擦除，以及擦除带来的问题

1，Java泛型的实现方法：类型擦除

前面已经说了，Java的泛型是伪泛型。为什么说Java的泛型是伪泛型呢？因为，在编译期间，所有的泛型信息都会被擦除掉。正确理解泛型概念的首要前提是理解类型擦出（type erasure）。

Java中的泛型基本上都是在编译器这个层次来实现的。在生成的Java字节码中是不包含泛型中的类型信息的。使用泛型的时候加上的类型参数，会在编译器在编译的时候去掉。这个过程就称为类型擦除。

如在代码中定义的List<object>和List<String>等类型，在编译后都会编程List。JVM看到的只是List，而由泛型附加的类型信息对JVM来说是不可见的。Java编译器会在编译时尽可能的发现可能出错的地方，但是仍然无法避免在运行时刻出现类型转换异常的情况。类型擦除也是Java的泛型实现方法与C++模版机制实现方式之间的重要区别。

可以通过两个简单的例子，来证明java泛型的类型擦除。
例1：

public class Test4 {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> arrayList1=new ArrayList<String>();
        arrayList1.add("abc");
        ArrayList<Integer> arrayList2=new ArrayList<Integer>();
        arrayList2.add(123);
        System.out.println(arrayList1.getClass()==arrayList2.getClass());
    }
}

在这个例子中，我们定义了两个ArrayList数组，不过一个是ArrayList<String>泛型类型，只能存储字符串。一个是ArrayList<Integer>泛型类型，只能存储整形。最后，我们通过arrayList1对象和arrayList2对象的getClass方法获取它们的类的信息，最后发现结果为true。说明泛型类型String和Integer都被擦除掉了，只剩下了原始类型。
例2，

public class Test4 {
    public static void main(String[] args) throws IllegalArgumentException, SecurityException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, NoSuchMethodException {
        ArrayList<Integer> arrayList3=new ArrayList<Integer>();
        arrayList3.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
        arrayList3.getClass().getMethod("add", Object.class).invoke(arrayList3, "asd");
        for (int i=0;i<arrayList3.size();i++) {
            System.out.println(arrayList3.get(i));
        }
    }

在程序中定义了一个ArrayList泛型类型实例化为Integer的对象，如果直接调用add方法，那么只能存储整形的数据。不过当我们利用反射调用add方法的时候，却可以存储字符串。这说明了Integer泛型实例在编译之后被擦除了，只保留了原始类型。

二、类型擦除后保留的原始类型
在上面，两次提到了原始类型，什么是原始类型？原始类型（raw type）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类型，相应的原始类型都会被自动地提供。类型变量被擦除（crased），并使用其限定类型（无限定的变量用Object）替换。
例3：

class Pair<T> {
    private T value;
    public T getValue() {
        return value;
    }
    public void setValue(T  value) {
        this.value = value;
    }
}
Pair<T>的原始类型为：
class Pair {
    private Object value;
    public Object getValue() {
        return value;
    }
    public void setValue(Object  value) {
        this.value = value;
    }
}

因为在Pair<T>中，T是一个无限定的类型变量，所以用Object替换。其结果就是一个普通的类，如同泛型加入java变成语言之前已经实现的那样。在程序中可以包含不同类型的Pair，如Pair<String>或Pair<Integer>，但是，擦除类型后它们就成为原始的Pair类型了，原始类型都是Object。
从上面的那个例2中，我们也可以明白ArrayList<Integer>被擦除类型后，原始类型也变成了Object，所以通过反射我们就可以存储字符串了。

如果类型变量有限定，那么原始类型就用第一个边界的类型变量来替换。

比如Pair这样声明

public class Pair<T extends Comparable& Serializable> {

那么原始类型就是Comparable

注意：

如果Pair这样声明public class Pair<T extends Serializable&Comparable> ，那么原始类型就用Serializable替换，而编译器在必要的时要向Comparable插入强制类型转换。为了提高效率，应该将标签（tagging）接口（即没有方法的接口）放在边界限定列表的末尾。

要区分原始类型和泛型变量的类型

在调用泛型方法的时候，可以指定泛型，也可以不指定泛型。

在不指定泛型的情况下，泛型变量的类型为 该方法中的几种类型的同一个父类的最小级，直到Object。

在指定泛型的时候，该方法中的几种类型必须是该泛型实例类型或者其子类。

public class Test2{
    public static void main(String[] args) {
        /**不指定泛型的时候*/
        int i=Test2.add(1, 2); //这两个参数都是Integer，所以T为Integer类型
        Number f=Test2.add(1, 1.2);//这两个参数一个是Integer，以风格是Float，所以取同一父类的最小级，为Number
        Object o=Test2.add(1, "asd");//这两个参数一个是Integer，以风格是Float，所以取同一父类的最小级，为Object
 
                /**指定泛型的时候*/
        int a=Test2.<Integer>add(1, 2);//指定了Integer，所以只能为Integer类型或者其子类
        int b=Test2.<Integer>add(1, 2.2);//编译错误，指定了Integer，不能为Float
        Number c=Test2.<Number>add(1, 2.2); //指定为Number，所以可以为Integer和Float
    }
    
    //这是一个简单的泛型方法
    public static <T> T add(T x,T y){
        return y;
    }
}

其实在泛型类中，不指定泛型的时候，也差不多，只不过这个时候的泛型类型为Object，就比如ArrayList中，如果不指定泛型，那么这个ArrayList中可以放任意类型的对象。

public static void main(String[] args) {
        ArrayList arrayList=new ArrayList();
        arrayList.add(1);
        arrayList.add("121");
        arrayList.add(new Date());
    }

三、类型擦除引起的问题及解决方法

因为种种原因，Java不能实现真正的泛型，只能使用类型擦除来实现伪泛型，这样虽然不会有类型膨胀的问题，但是也引起了许多新的问题。所以，Sun对这些问题作出了许多限制，避免我们犯各种错误

1、先检查，在编译，以及检查编译的对象和引用传递的问题

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<String> arrayList=new ArrayList<String>();所创建的数组列表arrayList中，不能使用add方法添加整形呢？不是说泛型变量Integer会在编译时候擦除变为原始类型Object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是如何解决这个问题的呢？java编译器是通过先检查代码中泛型的类型，然后再进行类型擦除，在进行编译的。

public static  void main(String[] args) {
        ArrayList<String> arrayList=new ArrayList<String>();
        arrayList.add("123");
        arrayList.add(123);//编译错误
    }

在上面的程序中，使用add方法添加一个整形，在eclipse中，直接就会报错，说明这就是在编译之前的检查。因为如果是在编译之后检查，类型擦除后，原始类型为Object，是应该运行任意引用类型的添加的。可实际上却不是这样，这恰恰说明了关于泛型变量的使用，是会在编译之前检查的。

那么，这么类型检查是针对谁的呢？我们先看看参数化类型与原始类型的兼容

以ArrayList举例子，以前的写法：

ArrayList arrayList=new ArrayList();
现在的写法：
ArrayList<String>  arrayList=new ArrayList<String>();
如果是与以前的代码兼容，各种引用传值之间，必然会出现如下的情况：
ArrayList<String> arrayList1=new ArrayList(); //第一种 情况
ArrayList arrayList2=new ArrayList<String>();//第二种 情况

这样是没有错误的，不过会有个编译时警告。
不过在第一种情况，可以实现与 完全使用泛型参数一样的效果，第二种则完全没效果。

因为，本来类型检查就是编译时完成的。new ArrayList()只是在内存中开辟一个存储空间，可以存储任何的类型对象。而真正涉及类型检查的是它的引用，因为我们是使用它引用arrayList1 来调用它的方法，比如说调用add()方法。所以arrayList1引用能完成泛型类型的检查。

而引用arrayList2没有使用泛型，所以不行。

public class Test10 {
    public static void main(String[] args) {
        
        //
        ArrayList<String> arrayList1=new ArrayList();
        arrayList1.add("1");//编译通过
        arrayList1.add(1);//编译错误
        String str1=arrayList1.get(0);//返回类型就是String
        
        ArrayList arrayList2=new ArrayList<String>();
        arrayList2.add("1");//编译通过
        arrayList2.add(1);//编译通过
        Object object=arrayList2.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 string=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。

从这里，我们可以再讨论下 泛型中参数化类型为什么不考虑继承关系

在Java中，像下面形式的引用传递是不允许的：

ArrayList<String> arrayList1=new ArrayList<Object>();//编译错误
ArrayList<Object> arrayList1=new ArrayList<String>();//编译错误

我们先看第一种情况，将第一种情况拓展成下面的形式：

ArrayList<Object> arrayList1=new ArrayList<Object>();
          arrayList1.add(new Object());
          arrayList1.add(new Object());
          ArrayList<String> arrayList2=arrayList1;//编译错误

实际上，在第4行代码的时候，就会有编译错误。那么，我们先假设它编译没错。那么当我们使用arrayList2引用用get()方法取值的时候，返回的都是String类型的对象（上面提到了，类型检测是根据引用来决定的。），可是它里面实际上已经被我们存放了Object类型的对象，这样，就会有ClassCastException了。所以为了避免这种极易出现的错误，Java不允许进行这样的引用传递。（这也是泛型出现的原因，就是为了解决类型转换的问题，我们不能违背它的初衷）。

在看第二种情况，将第二种情况拓展成下面的形式：

ArrayList<String> arrayList1=new ArrayList<String>();
          arrayList1.add(new String());
          arrayList1.add(new String());
          ArrayList<Object> arrayList2=arrayList1;//编译错误

没错，这样的情况比第一种情况好的多，最起码，在我们用arrayList2取值的时候不会出现ClassCastException，因为是从String转换为Object。可是，这样做有什么意义呢，泛型出现的原因，就是为了解决类型转换的问题。我们使用了泛型，到头来，还是要自己强转，违背了泛型设计的初衷。所以java不允许这么干。再说，你如果又用arrayList2往里面add()新的对象，那么到时候取得时候，我怎么知道我取出来的到底是String类型的，还是Object类型的呢？

所以，要格外注意，泛型中的引用传递的问题。

2、自动类型转换

因为类型擦除的问题，所以所有的泛型类型变量最后都会被替换为原始类型。这样就引起了一个问题，既然都被替换为原始类型，那么为什么我们在获取的时候，不需要进行强制类型转换呢？看下ArrayList和get方法：

public E get(int index) {
    RangeCheck(index);
    return (E) elementData[index];
    }
//看以看到，在return之前，会根据泛型变量进行强转。

写了个简单的测试代码

public class Test {
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Date> list=new ArrayList<Date>();
list.add(new Date());
Date myDate=list.get(0);
}

参考文章：https://blog.csdn.net/LonelyRoamer/article/details/7868820