Java泛型的回顾之旅

[Leeyom Wang]

“泛型”的字面意思就是广泛的类型。类、接口和方法代码可以应用于非常广泛的类型，代码与它们能够操作的数据类型不再绑定在一起，同一套代码可以用于多种数据类型，这样，不仅可以复用代码，降低耦合，而且可以提高代码的可读性和安全性。在实际开发中，经常会使用到泛型，但语法非常令人费解，而且容易混淆对于其中的一些细节的地方，所以翻书去回顾下。

泛型类

首先看一段简单代码：

public class Pair<T> {
    T first;
    T second;

    public Pair(T first, T second) {
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    public T getFirst() {
        return first;
    }

    public T getSecond() {
        return second;
    }
}

这就是一个简单的泛型类，T 表示类型参数，泛型就是类型参数化，处理的数据类型不是固定的，而是可以作为参数传入。如下代码所示，对于构造方法 Pair(T first, T second) 既可以传 Integer 类型的参数，也可以传 String 类型的参数：

Pair<Integer> minmax = new Pair<Integer>(1,100);
Pair<String> kv = new Pair<String>("name", "老王");

参数类型也可以多种，类 Pair 可以改成如下所示：

public class Pair<U, V> {
    U first;
    V second;

    public Pair(U first, V second) {
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    public U getFirst() {
        return first;
    }

    public V getSecond() {
        return second;
    }
}

这样一来，构造方法 Pair(U first, V second) 就可以接收不同类型的参数了，既可以是 Integer，也可以是 String：

Pair<String> kv = new Pair<String>(1, "老王");

那假如我们不用泛型类，参数类型直接用 Oeject ，其实也可以满足基本的需求，将类 Pair 修改成如下的方式：

public class Pair {
    Object first;
    Object second;

    public Pair(Object first, Object second) {
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    public Object getFirst() {
        return first;
    }

    public Object getSecond() {
        return second;
    }
}

Pair minmax = new Pair(1,100);
Integer min = (Integer)minmax.getFirst();
Integer max = (Integer)minmax.getSecond();

但是这样会有什么坏处呢，假如我们在写代码的时候，不小心把类型弄错，但是编译器在编译的时候是不会有任何问题，在运行时候，就会抛类型转换异常：

Pair minmax = new Pair("王二狗",100);
Integer min = (Integer)minmax.getFirst();//其实这里已经类型转换异常，但是编译器编译的时候不会报错
Integer max = (Integer)minmax.getSecond();

但是如果使用了泛型的话，就可以避免这类错误，在编译期间，编译器就会报错：

Pair<String, Integer> pair = new Pair<>("王二狗",1);
Integer min = minmax.getFirst();//提示编译错误，String 类型，无法转换为 Integer 类型
Integer max = minmax.getSecond();

总结一下就是：Java 泛型是通过擦除实现的，对于泛型类，Java 编译器会将泛型代码转换为普通的非泛型代码，就像上面的普通 Pair 类代码及其使用代码一样，将类型参数 T 擦除，替换为 Object，插入必要的强制类型转换，泛型的两个好处就是：更好的安全性，更好的可读性。

泛型接口

接口也是可以泛型的，比如 Comparator 接口都是泛型的：

public interface Comparator<T> {
    int compare(T o1, T o2);
}

那么在实现这两个类的时候，实现方法里面就得指定具体的参数类型：

public class StringComparator implements Comparator<String> {
    @Override
    public int compare(String o1, String o2) {
        // 业务逻辑...
        return 0;
    }
}

泛型方法

除了泛型类，方法也可以是泛型的，而且，一个方法是不是泛型的，与它所在的类是不是泛型没有什么关系。我们看个例子就知道了：

public static < U, V > Pair<U, V> makePair( U first, V second ){
	Pair<U, V> pair = new Pair<>( first, second );
	return(pair);
}

参数类型的限定

上界为指定的类

如果没有参数类型的限定，那么类型参数 T 在擦除的时候，只能把它当作 Object，但 Java 支持限定这个参数的一个上界，也就是说，参数必须为给定的上界类型或其子类型，这个限定是通过 extends 关键字来表示的。例如，上面的 Pair 类，可以定义一个子类NumberPair，限定两个类型参数必须为 Number：

public class NumberPair<U extends Number, V extends Number> extends Pair<U, V> {
    public NumberPair(U first, V second) {
        super(first, second);
    }
}

限定类型后，如果类型使用错误，编译器会提示。指定边界后，类型擦除时就不会转换为 Object 了，而是会转换为它的边界类型 Number，这也是容易理解的。

上界为指定的接口

上面看到上界是指定的类，当然了，上界也可以是指定的接口，那么类型 T，就必须实现该上界接口，如下所示：

public static < T extends Comparable<T> > T max( T[] arr ){
	T max = arr[0];
	for ( int i = 1; i < arr.length; i++ ){
		if ( arr[i].compareTo( max ) > 0 ){
			max = arr[i];
		}
	}
	return(max);
}

max 方法计算一个泛型数组中的最大值，计算最大值需要进行元素之间的比较，要求元素实现 Comparable 接口，所以给类型参数设置了一个上边界 Comparable, T 必须实现 Comparable 接口。

上界为其他类型

上界类型，除了类、接口，也可以是其他类型，举个例子：

public class DynamicArray<E> {

    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    private int size;
    private Object[] elementData;

    public DynamicArray() {
        this.elementData = new Object[DEFAULT_CAPACITY];
    }

    private void ensureCapacity(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length;
        if (oldCapacity >= minCapacity) {
            return;
        }
        int newCapacity = oldCapacity * 2;
        if (newCapacity < minCapacity) {
            newCapacity = minCapacity;
        }
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

    public void add(E e) {
        ensureCapacity(size + 1);
        elementData[size++] = e;
    }

    public E get(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

    public int size() {
        return size;
    }

    public E set(int index, E element) {
        E oldValue = get(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }
}

public class DynamicArray<E> {
	public < T extends E > void addAll( DynamicArray<T> c ){
		for ( int i = 0; i < c.size; i++ ){
			// 业务逻辑...
		}
	}
}

E 是 DynamicArray 的类型参数，T 是 addAll 的类型参数，T 的上界限定为 E。

解析通配符

有限定通配符

<? extends E> 表示有限定通配符，匹配 E 或 E 的某个子类型，具体什么子类型是未知的，如：

public class DynamicArray<E> {
	public < T extends E > void addAll( DynamicArray<T> c ){
		for ( int i = 0; i < c.size; i++ ){
			// 业务逻辑...
		}
	}
}

改成有限定通配符方式：

public class DynamicArray<E> {
	public void addAll( DynamicArray<? extends E> c ){
		for ( int i = 0; i < c.size; i++ ){
			// 业务逻辑...
		}
	}
}

那 <T extends E> 和 <? extends E> 到底有什么关系？

1. <T extends E> 用于定义类型参数，它声明了一个类型参数T，可放在泛型类定义中类名后面、泛型方法返回值前面。
2. <? extends E> 用于实例化类型参数，它用于实例化泛型变量中的类型参数，只是这个具体类型是未知的，只知道它是E或E的某个子类型。

无限定通配符

形如 DynamicArray<? > ，称为无限定通配符，举个例子，在 DynamicArray 中查找指定的元素：

public static int indexOf(DynamicArray<?> arr, Object elm){
	for (int i=0; i<arr.size(); i++){
		if(arr.get(i).equals(elm)){
			return i;
		}
	}
	return -1;
}

无限定通配符，也可以改成类型参数，如下，两者写法是等价的：

public static <T> int indexOf(DynamicArray<T> arr, Object elm){
	for (int i=0; i<arr.size(); i++){
		if(arr.get(i).equals(elm)){
			return i;
		}
	}
	return -1;
}

但是通配符形式是比较简洁，但是有一个重要的限制：只能读，不能写，如下所示：

DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
DynamicArray<? extends Number> numbers = ints;
Integer a = 200;
numbers.add(a);//错误！
numbers.add((Number)a);//错误！
numbers.add((Object)a);//错误！

因为 ？问号就是表示类型安全无知， ? extends Number 表示是Number的某个子类型，但不知道具体子类型，如果允许写入，Java 就无法确保类型安全性，所以干脆禁止。现在我们再来看泛型方法到底应该用通配符的形式还是加类型参数。两者到底有什么关系？我们总结如下：

1. 通配符形式都可以用类型参数的形式来替代，通配符能做的，用类型参数都能做。
2. 通配符形式可以减少类型参数，形式上往往更为简单，可读性也更好，所以，能用通配符的就用通配符。
3. 如果类型参数之间有依赖关系，或者返回值依赖类型参数，或者需要写操作，则只能用类型参数。
4. 通配符形式和类型参数往往配合使用。

超类型通配符

<? super E> ，称为超类型通配符，表示E的某个父类型，它与 <? extends E> 正好相反，有了它，可以灵活的进行写入。我们给 DynamicArray 添加一个方法，将当前容器中的元素添加到传入的目标容器中：

public void copyTo(DynamicArray<E> dest){
	for (int i=0; i<size; i++){
		dest.add(get(i));
	}
}

DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<Integer>();
ints.add(100);
ints.add(34);
DynamicArray<Number> numbers = new DynamicArray<Number>();
ints.copyTo(numbers);

Integer 是 Number 的子类，将 Integer 对象拷贝入 Number 容器，这种用法应该是合情合理的，但 Java会 提示编译错误，理由我们之前也说过了，期望的参数类型是 DynamicArray<Number> , DynamicArray<Integer> 并不适用。这里使用超类型通配符就可以解决这个问题：

public void copyTo(DynamicArray<? super E> dest){
	for (int i=0; i<size; i++){
		dest.add(get(i));
	}
}

这样，编译器就不会报错了，所以总结一下：

1. <? super E> 用于灵活写入或比较，使得对象可以写入父类型的容器，使得父类型的比较方法可以应用于子类对象，它不能被类型参数形式替代。
2. <? > 和 <? extends E> 用于灵活读取，使得方法可以读取E或E的任意子类型的容器对象，它们可以用类型参数的形式替代，但通配符形式更为简洁。

局限性

• 基本类型不能用于实例化类型参数
  • Pair<int> minmax = new Pair<int>(1,100); 是不支持的，解决方法是使用基本类型对应的包装类。
    • Pair<Integer> minmax = new Pair<Integer>(1,100);
• 运行时类型信息不适用于泛型
  • Pair<Integer>.class 不支持
  • if(p1 instanceof Pair<Integer>) 不支持
    • if(p1 instanceof Pair<? >) 支持
• 类型擦除可能会引发一些冲突
• 不能通过类型参数创建对象
  • T elm = new T(); 不支持，但是可以借助反射机制实现：

public static <T> T create(Class<T> type){
	try {
		return type.newInstance();
	}
	catch (Exception e) {
		return null;
	}
}

• 泛型类类型参数不能用于静态变量和方法，如下则是非法的：

public class Singleton<T> {
	private static T instance;
	public synchronized static T getInstance(){
		if(instance==null){
			//创建实例
		}
		return instance;
	}
}

• Java 不支持创建泛型数组
• Java中还支持多个上界，多个上界之间以&分隔，类似这样：
  • T extends Base & Comparable & Serializable
  • Base 为上界类，Comparable 和 Serializable 为上界接口。如果有上界类，类应该放在第一个，当类型擦除时，会用第一个上界替换。

[TuDi]

写的很详细！