Java泛型

 

 

一. 泛型概念的提出（为什么需要泛型）？

首先，我们看下下面这段简短的代码:

 1 public class GenericTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         List list = new ArrayList();
 5         list.add("qqyumidi");
 6         list.add("corn");
 7         list.add(100);
 8 
 9         for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
10             String name = (String) list.get(i); // 1
11             System.out.println("name:" + name);
12         }
13     }
14 }

定义了一个List类型的集合，先向其中加入了两个字符串类型的值，随后加入一个Integer类型的值。这是完全允许的，因为此时list默认的类型为Object类型。在之后的循环中，由于忘记了之前在list中也加入了Integer类型的值或其他编码原因，很容易出现类似于//1中的错误。因为编译阶段正常，而运行时会出现“java.lang.ClassCastException”异常。因此，导致此类错误编码过程中不易发现。

 在如上的编码过程中，我们发现主要存在两个问题：

1.当我们将一个对象放入集合中，集合不会记住此对象的类型，当再次从集合中取出此对象时，改对象的编译类型变成了Object类型，但其运行时类型任然为其本身类型。

2.因此，//1处取出集合元素时需要人为的强制类型转化到具体的目标类型，且很容易出现“java.lang.ClassCastException”异常。

那么有没有什么办法可以使集合能够记住集合内元素各类型，且能够达到只要编译时不出现问题，运行时就不会出现“java.lang.ClassCastException”异常呢？答案就是使用泛型。

二.什么是泛型？

泛型，即“参数化类型”。一提到参数，最熟悉的就是定义方法时有形参，然后调用此方法时传递实参。那么参数化类型怎么理解呢？顾名思义，就是将类型由原来的具体的类型参数化，类似于方法中的变量参数，此时类型也定义成参数形式（可以称之为类型形参），然后在使用/调用时传入具体的类型（类型实参）。

 看着好像有点复杂，首先我们看下上面那个例子采用泛型的写法。

 1 public class GenericTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         /*
 5         List list = new ArrayList();
 6         list.add("qqyumidi");
 7         list.add("corn");
 8         list.add(100);
 9         */
10 
11         List<String> list = new ArrayList<String>();
12         list.add("qqyumidi");
13         list.add("corn");
14         //list.add(100);   // 1  提示编译错误
15 
16         for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
17             String name = list.get(i); // 2
18             System.out.println("name:" + name);
19         }
20     }
21 }

采用泛型写法后，在//1处想加入一个Integer类型的对象时会出现编译错误，通过List<String>，直接限定了list集合中只能含有String类型的元素，从而在//2处无须进行强制类型转换，因为此时，集合能够记住元素的类型信息，编译器已经能够确认它是String类型了。

结合上面的泛型定义，我们知道在List<String>中，String是类型实参，也就是说，相应的List接口中肯定含有类型形参。且get()方法的返回结果也直接是此形参类型（也就是对应的传入的类型实参）。下面就来看看List接口的的具体定义：

 1 public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> 
 2         implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
 3     
 4     public boolean add(E e) {
 5         ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
 6         elementData[size++] = e;
 7         return true;
 8     }
 9     
10     public E get(int index) {
11         rangeCheck(index);
12         checkForComodification();
13         return ArrayList.this.elementData(offset + index);
14     }
15     
16     //...省略掉其他具体的定义过程
17 
18 }

由此，我们从源代码角度明白了为什么//1处加入Integer类型对象编译错误，且//2处get()到的类型直接就是String类型了。

三.自定义泛型接口、泛型类和泛型方法

从上面的内容中，大家已经明白了泛型的具体运作过程。也知道了接口、类和方法也都可以使用泛型去定义，以及相应的使用。是的，在具体使用时，可以分为泛型接口、泛型类和泛型方法。

自定义泛型接口、泛型类和泛型方法与上述Java源码中的List、ArrayList类似。如下，我们看一个最简单的泛型类和方法定义：

 1 public class GenericTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4 
 5         Box<String> name = new Box<String>("corn");
 6         System.out.println("name:" + name.getData());
 7     }
 8 
 9 }
10 
11 class Box<T> {
12 
13     private T data;
14 
15     public Box() {
16 
17     }
18 
19     public Box(T data) {
20         this.data = data;
21     }
22 
23     public T getData() {
24         return data;
25     }
26 
27 } 

在泛型接口、泛型类和泛型方法的定义过程中，我们常见的如T、E、K、V等形式的参数常用于表示泛型形参，由于接收来自外部使用时候传入的类型实参。那么对于不同传入的类型实参，生成的相应对象实例的类型是不是一样的呢？

 1 public class GenericTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4 
 5         Box<String> name = new Box<String>("corn");
 6         Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
 7 
 8         System.out.println("name class:" + name.getClass());      // com.qqyumidi.Box
 9         System.out.println("age class:" + age.getClass());        // com.qqyumidi.Box
10         System.out.println(name.getClass() == age.getClass());    // true
11 
12     }
13 
14 }

由此，我们发现，在使用泛型类时，虽然传入了不同的泛型实参，但并没有真正意义上生成不同的类型，传入不同泛型实参的泛型类在内存上只有一个，即还是原来的最基本的类型（本实例中为Box），当然，在逻辑上我们可以理解成多个不同的泛型类型。

究其原因，在于Java中的泛型这一概念提出的目的，导致其只是作用于代码编译阶段，在编译过程中，对于正确检验泛型结果后，会将泛型的相关信息擦出，也就是说，成功编译过后的class文件中是不包含任何泛型信息的。泛型信息不会进入到运行时阶段。

对此总结成一句话：泛型类型在逻辑上看以看成是多个不同的类型，实际上都是相同的基本类型。

四.类型通配符

接着上面的结论，我们知道，Box<Number>和Box<Integer>实际上都是Box类型，现在需要继续探讨一个问题，那么在逻辑上，类似于Box<Number>和Box<Integer>是否可以看成具有父子关系的泛型类型呢？

为了弄清这个问题，我们继续看下下面这个例子:

 1 public class GenericTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4 
 5         Box<Number> name = new Box<Number>(99);
 6         Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
 7 
 8         getData(name);
 9         
10         //The method getData(Box<Number>) in the type GenericTest is 
11         //not applicable for the arguments (Box<Integer>)
12         getData(age);   // 1
13 
14     }
15     
16     public static void getData(Box<Number> data){
17         System.out.println("data :" + data.getData());
18     }
19 
20 }

我们发现，在代码//1处出现了错误提示信息：The method getData(Box<Number>) in the t ype GenericTest is not applicable for the arguments (Box<Integer>)。显然，通过提示信息，我们知道Box<Number>在逻辑上不能视为Box<Integer>的父类。那么，原因何在呢？

 1 public class GenericTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4 
 5         Box<Integer> a = new Box<Integer>(712);
 6         Box<Number> b = a;  // 1
 7         Box<Float> f = new Box<Float>(3.14f);
 8         b.setData(f);        // 2
 9 
10     }
11 
12     public static void getData(Box<Number> data) {
13         System.out.println("data :" + data.getData());
14     }
15 
16 }
17 
18 class Box<T> {
19 
20     private T data;
21 
22     public Box() {
23 
24     }
25 
26     public Box(T data) {
27         setData(data);
28     }
29 
30     public T getData() {
31         return data;
32     }
33 
34     public void setData(T data) {
35         this.data = data;
36     }
37 
38 }

这个例子中，显然//1和//2处肯定会出现错误提示的。在此我们可以使用反证法来进行说明。

假设Box<Number>在逻辑上可以视为Box<Integer>的父类，那么//1和//2处将不会有错误提示了，那么问题就出来了，通过getData()方法取出数据时到底是什么类型呢？Integer? Float? 还是Number？且由于在编程过程中的顺序不可控性，导致在必要的时候必须要进行类型判断，且进行强制类型转换。显然，这与泛型的理念矛盾，因此，在逻辑上Box<Number>不能视为Box<Integer>的父类。

好，那我们回过头来继续看“类型通配符”中的第一个例子，我们知道其具体的错误提示的深层次原因了。那么如何解决呢？总部能再定义一个新的函数吧。这和Java中的多态理念显然是违背的，因此，我们需要一个在逻辑上可以用来表示同时是Box<Integer>和Box<Number>的父类的一个引用类型，由此，类型通配符应运而生。

类型通配符一般是使用 ? 代替具体的类型实参。注意了，此处是类型实参，而不是类型形参！且Box<?>在逻辑上是Box<Integer>、Box<Number>...等所有Box<具体类型实参>的父类。由此，我们依然可以定义泛型方法，来完成此类需求。

 1 public class GenericTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4 
 5         Box<String> name = new Box<String>("corn");
 6         Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
 7         Box<Number> number = new Box<Number>(314);
 8 
 9         getData(name);
10         getData(age);
11         getData(number);
12     }
13 
14     public static void getData(Box<?> data) {
15         System.out.println("data :" + data.getData());
16     }
17 
18 }

有时候，我们还可能听到类型通配符上限和类型通配符下限。具体有是怎么样的呢？

在上面的例子中，如果需要定义一个功能类似于getData()的方法，但对类型实参又有进一步的限制：只能是Number类及其子类。此时，需要用到类型通配符上限。

 1 public class GenericTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4 
 5         Box<String> name = new Box<String>("corn");
 6         Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
 7         Box<Number> number = new Box<Number>(314);
 8 
 9         getData(name);
10         getData(age);
11         getData(number);
12         
13         //getUpperNumberData(name); // 1
14         getUpperNumberData(age);    // 2
15         getUpperNumberData(number); // 3
16     }
17 
18     public static void getData(Box<?> data) {
19         System.out.println("data :" + data.getData());
20     }
21     
22     public static void getUpperNumberData(Box<? extends Number> data){
23         System.out.println("data :" + data.getData());
24     }
25 
26 }

此时，显然，在代码//1处调用将出现错误提示，而//2 //3处调用正常。

类型通配符上限通过形如Box<? extends Number>形式定义，相对应的，类型通配符下限为Box<? super Number>形式，其含义与类型通配符上限正好相反。

1．为什么需要泛型

泛型在Java中有很重要的地位，网上很多文章罗列各种理论，不便于理解，本篇将立足于代码介绍、总结了关于泛型的知识。希望能给你带来一些帮助。

先看下面的代码：

List list = new ArrayList();
list.add("CSDN_SEU_Cavin");
list.add(100);
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
  String name = (String) list.get(i); //取出Integer时，运行时出现异常
System.out.println("name:" + name);
}

本例向list类型集合中加入了一个字符串类型的值和一个Integer类型的值。（这样合法，因为此时list默认的类型为Object类型）。在之后的循环中，由于忘记了之前在list中也加入了Integer类型的值或其他原因，运行时会出现java.lang.ClassCastException异常。为了解决这个问题，泛型应运而生。

2．泛型的使用

Java泛型编程是JDK1.5版本后引入的。泛型让编程人员能够使用类型抽象，通常用于集合里面。

只要在上例中将第1行代码改成如下形式，那么就会在编译list.add(100)时报错。

List<String> list = new ArrayList<String>();

通过List<String>，直接限定了list集合中只能含有String类型的元素，从而在上例中的第6行中，无须进行强制类型转换，因为集合能够记住其中元素的类型信息，编译器已经能够确认它是String类型了。

3．泛型只在编译阶段有效

看下面的代码：

AyyayList<String> a = new ArrayList<String>();
ArrayList b = new ArrayList();
Class c1 = a.getClass();
Class c2 = b.getClass();
System.out.println(a == b); //true

上面程序的输出结果为true。所有反射的操作都是在运行时的，既然为true，就证明了编译之后，程序会采取去泛型化的措施，也就是说Java中的泛型，只在编译阶段有效。在编译过程中，正确检验泛型结果后，会将泛型的相关信息擦出，并且在对象进入和离开方法的边界处添加类型检查和类型转换的方法。也就是说，成功编译过后的class文件中是不包含任何泛型信息的。泛型信息不会进入到运行时阶段。

上述结论可通过下面反射的例子来印证：

ArrayList<String> a = new ArrayList<String>();
a.add("CSDN_SEU_Cavin");
Class c = a.getClass();
try{
    Method method = c.getMethod("add",Object.class);
    method.invoke(a,100);
    System.out.println(a);
}catch(Exception e){
    e.printStackTrace();
}

因为绕过了编译阶段也就绕过了泛型，输出结果为：

[CSDN_SEU_Cavin, 100]

4．泛型类和泛型方法

如下，我们看一个泛型类和方法的使用例子，和未使用泛型的使用方法进行了对比，两者输出结果相同，在这里贴出来方便读者体会两者的差异。泛型接口的例子有兴趣可以去找一些资料，这里就不赘述了。

（1）使用泛型的情况

public static class FX<T> {
    private T ob; // 定义泛型成员变量

    public FX(T ob) {
        this.ob = ob;
    }

    public T getOb() {
        return ob;
    }

    public void showTyep() {
        System.out.println("T的实际类型是: " + ob.getClass().getName());
    }
}
    public static void main(String[] args) {
        FX<Integer> intOb = new FX<Integer>(100);
        intOb.showTyep();
        System.out.println("value= " + intOb.getOb());
        System.out.println("----------------------------------");

        FX<String> strOb = new FX<String>("CSDN_SEU_Calvin");
        strOb.showTyep();
        System.out.println("value= " + strOb.getOb());
}

（2）不使用泛型的情况

public static class FX {
    private Object ob; // 定义泛型成员变量

    public FX(Object ob) {
        this.ob = ob;
    }

    public Object getOb() {
        return ob;
    }

    public void showTyep() {
        System.out.println("T的实际类型是: " + ob.getClass().getName());
    }
}

    public static void main(String[] args) {
        FX intOb = new FX(new Integer(100));
        intOb.showTyep();
        System.out.println("value= " + intOb.getOb());
        System.out.println("----------------------------------");

        FX strOb = new FX("CSDN_SEU_Calvin");
        strOb.showTyep();
        System.out.println("value= " + strOb.getOb());
    }

输出结果均为：

T的实际类型是: java.lang.Integer
value= 100
----------------------------------
T的实际类型是: java.lang.String
value= CSDN_SEU_Calvin

5．通配符

为了引出通配符的概念，先看如下代码：

List<Integer> ex_int= new ArrayList<Integer>();
List<Number> ex_num = ex_int; //非法的

上述第2行会出现编译错误，因为Integer虽然是Number的子类，但List<Integer>不是List<Number>的子类型。

假定第2行代码没有问题，那么我们可以使用语句ex_num.add(newDouble())在一个List中装入了各种不同类型的子类，这显然是不可以的，因为我们在取出List中的对象时，就分不清楚到底该转型为Integer还是Double了。

 因此，我们需要一个在逻辑上可以用来同时表示为List<Integer>和List<Number>的父类的一个引用类型，类型通配符应运而生。在本例中表示为List<?>即可。下面这个例子也说明了这一点，注释已经写的很清楚了。

public static void main(String[] args) {
    FX<Number> ex_num = new FX<Number>(100);
    FX<Integer> ex_int = new FX<Integer>(200);
    getData(ex_num);
    getData(ex_int);//编译错误
}

public static void getData(FX<Number> temp) { //此行若把Number换为“？”编译通过
    //do something...
}

public static class FX<T> {
    private T ob;
    public FX(T ob) {
        this.ob = ob;
    }
}

6．上下边界

看了下面这个上边界的例子就明白了，下界FX<? supers Number>的形式就不做过多赘述了。

public static void main(String[] args) {
    FX<Number> ex_num = new FX<Number>(100);
    FX<Integer> ex_int = new FX<Integer>(200);
    getUpperNumberData(ex_num);
    getUpperNumberData(ex_int);
}

public static void getUpperNumberData(FX<? extends Number> temp){
      System.out.println("class type :" + temp.getClass());
}

public static class FX<T> {
    private T ob;
    public FX(T ob) {
    this.ob = ob;
    }
}

7．泛型的好处

（1）类型安全。 

通过知道使用泛型定义的变量的类型限制，编译器可以更有效地提高Java程序的类型安全。 

（2）消除强制类型转换。 

消除源代码中的许多强制类型转换。这使得代码更加可读，并且减少了出错机会。所有的强制转换都是自动和隐式的。

（3）提高性能。 

Lits list1 = new ArrayList();
list1.add("CSDN_SEU_Cavin ");
String str1 = (String)list1.get(0);

List<String> list2 = new ArrayList<String>();
list2.add("CSDN_SEU_Cavin ");
String str2 = list2.get(0);

对于上面的两段程序，由于泛型所有工作都在编译器中完成，javac编译出来的字节码是一样的（只是更能确保类型安全），那么何谈性能提升呢？是因为在泛型的实现中，编译器将强制类型转换插入生成的字节码中，但是更多类型信息可用于编译器这一事实，为未来版本的 JVM 的优化带来了可能。

8．泛型使用的注意事项

（1）泛型的类型参数只能是类类型（包括自定义类），不能是简单类型。

（2）泛型的类型参数可以有多个。

（3）不能对确切的泛型类型使用instanceof操作。如下面的操作是非法的，编译时会出错。

if(ex_num instanceof FX<Number>){
}

（4）不能创建一个确切的泛型类型的数组。下面使用Sun的一篇文档的一个例子来说明这个问题：