Java 中的泛型

泛型的目的：Java 泛型就是把一种语法糖，通过泛型使得在编译阶段完成一些类型转换的工作，避免在运行时强制类型转换而出现 ClassCastException，即类型转换异常。

泛型的好处

• 类型安全。类型错误现在在编译期间就被捕获到了，而不是在运行时当作java.lang.ClassCastException展示出来，将类型检查从运行时挪到编译时有助于开发者更容易找到错误，并提高程序的可靠性。
• 消除了代码中许多的强制类型转换，增强了代码的可读性。
• 为较大的优化带来了可能。

为什么需要泛型

通过下面的代码就可知道原因

public int addInt(int x, int y) {
    return x + y;
}

public float addFloat(float x, float y) {
    return x + y;
}

开发中经常有数值类型求和的需求，例如实现 int 类型的加法，有时还需要 long 类型的求和，如果还需要 double 类型的求和，需要重新在重载一个输入是 double 类型的 add 方法。

public static void main(String[] args) {
    List list = new ArrayList();
    list.add("corn");
    list.add("qq");
    list.add(22);
    for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
         String name = (String) list.get(i);
         System.out.println("args = " + name);
    }
}

图一

定义一个 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 lis t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，很容易出现类似于图一中的错误。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，String name = (String) list.get(i); 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。

泛型类、泛型接口、泛型方法

泛型，即“参数化类型”，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），然后在使用或调用时传入具体的类型（类型实参）。

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。

泛型类

引入一个类型变量 T（其他大写字母都可以，不过常用的就是 T，E，K，V 等等），并且用 <> 括起来，并放在类名的后面。泛型类是允许有多个类型变量的。

public class NormalGeneric<T> {
    private T data;

    public NormalGeneric() {
    }

    public NormalGeneric(T data) {
        this.data = data;
    }

    public T getData() {
        return data;
    }
}

public class NormalGeneric2<T,K> {
    private T data;
    private K result;

    public NormalGeneric2() {
    }

    public NormalGeneric2(T data, K result) {
        this.data = data;
        this.result = result;
    }
}

泛型接口

泛型接口与泛型类的定义基本相同。

public interface Generator<T> {
    void next(T t);
}

而实现泛型接口的类，有两种实现方法：
1、未传入泛型实参时：

public class ImplGenerator<T> implements Generator<T> {
    @Override
    public void next(T t) {
        System.out.println("show:" + t);
    }
}

在 new 出类的实例时，需要指定具体类型：

public static void main(String[] args) {
   ImplGenerator<String> implGenerator = new ImplGenerator<>();
   implGenerator.next("9");
}

2、传入泛型实参

public class ImplGenerator2 implements Generator<String> {
    @Override
    public void next(String t) {
        System.out.println("show:" + t);
    }
}

在 new 出类的实例时，和普通的类没区别。

泛型方法

public class GenericMethod {

    /**
     * public：修饰符
     * <T>：返回值
     */
    public <T> T genericMethod(T... a) {
        return a[a.length / 2];
    }

    public void test(int x, int y) {
        System.out.println(x + y);
    }

    public static void main(String[] args) {
        GenericMethod genericMethod = new GenericMethod();
        genericMethod.test(5, 6);
        System.out.println(genericMethod.genericMethod("a", "b", "c"));
        System.out.println(genericMethod.genericMethod("sdf", "fdg ", 3));
    }
}

泛型方法，是在调用方法的时候指明泛型的具体类型 ，泛型方法可以在任何地方和任何场景中使用，包括普通类和泛型类。注意泛型类中定义的普通方法和泛型方法的区别。

普通方法：

 public class Generic<T>{
        private T key;

        public Generic(T key) {
            this.key = key;
        }

        //虽然在方法中使用了泛型，但是这并不是一个泛型方法。
        //这只是类中一个普通的成员方法，只不过他的返回值是在声明泛型类已经声明过的泛型。
        //所以在这个方法中才可以继续使用 T 这个泛型。
        public T getKey() {
            return key;
        }

        /**
         * 这个方法显然是有问题的，在编译器会给我们提示这样的错误信息"cannot reslove symbol E"
         * 因为在类的声明中并未声明泛型E，所以在使用E做形参和返回值类型时，编译器会无法识别。
         */
        public E setKey(E key){
            this.key=key;
        }
    }

泛型方法

    /**
     * 这才是一个真正的泛型方法。
     * 首先在public与返回值之间的<T>必不可少，这表明这是一个泛型方法，并且声明了一个泛型T
     * 这个T可以出现在这个泛型方法的任意位置.
     * 泛型的数量也可以为任意多个
     */
    public <T> T showKeyName(Generic<T> container) {
        System.out.println("container key：" + container.getKey());
        T test = container.getKey();
        return test;
    }

   //这也不是一个泛型方法，这就是一个普通的方法，
    // 只是使用了Generic<Number>这个泛型类做形参而已。
    public void show(Generic<Number> obj){

    }

    /**
     * 这个方法是有问题的，编译器会为我们提示错误信息："UnKnown class 'E' "
     * 虽然我们声明了<T>,也表明了这是一个可以处理泛型的类型的泛型方法。
     * 但是只声明了泛型类型T，并未声明泛型类型E，因此编译器并不知道该如何处理E这个类型。
     */
//    public <T,E> T show(E ab){
//        //
//    }

    /**
     * 这个方法也是有问题的，编译器会为我们提示错误信息："UnKnown class 'T' "
     * 对于编译器来说T这个类型并未项目中声明过，因此编译也不知道该如何编译这个类。
     * 所以这也不是一个正确的泛型方法声明。
     }
     */
//    public void show(T obj){
//
//    }

限定类型变量

我们需要对类型变量加以约束，比如计算两个变量的最小，最大值。

public static <T> T min(T a, T b) {
    if (a.compareTo(b) > 0) return a; else return b;
}

如何确保传入的两个变量一定有 compareTo 方法？

解决方案就是将 T 限制为实现了接口 Comparable 的类。

public static <T extends Comparable> T min(T a, T b) {
    if (a.compareTo(b) > 0) return b; else return a;
}

T extends Comparable 中，T 表示应该绑定类型的子类型，Comparable 表示绑定类型，子类型和绑定类型可以是类也可以是接口。

同时 extends 左右都允许有多个，如 T,V extends Comparable & Serializable。
注意限定类型中，只允许有一个类，而且如果有类，这个类必须是限定列表的第一个。
这种类的限定既可以用在泛型方法上也可以用在泛型类上

 public static <T extends ArrayList&Comparable> T min(T a, T b){
     if(a.compareTo(b)>0) return a; else return b;
 }

泛型中的约束和局限性

泛型类

public class Restrict<T> {}

不能用基本类型实例化类型参数

// Restrict<double> 这种不允许
Restrict<Double> restrict = new Restrict<>();

运行时类型查询只适用于原始类型

// if (restrict instanceof Restrict<Double>){} 这种不允许
// if (restrict instanceof Restrict<T>){} 这种不允许
System.out.println(restrict.getClass() == restrictString.getClass());
System.out.println(restrict.getClass().getName());

泛型类的静态上下文中类型变量失效

// 静态域或者方法里不能引用类型变量
// private static T instance;
// 静态方法 本身是泛型方法就行
private static <T> T getInstance(){};

不能在静态域或方法中引用类型变量。因为泛型是要在对象创建的时候才知道是什么类型的，而对象创建的代码执行先后顺序是 static 的部分，然后才是构造函数等等。所以在对象初始化之前 static 的部分已经执行了，如果你在静态部分引用的泛型，那么毫无疑问虚拟机根本不知道是什么东西，因为这个时候类还没有初始化。

不能创建参数化类型的数组

Restrict<Double>[] restrictArray;// 可以
// Restrict<Double>[] restricts = new Restrict<Double>[10]; // 不允许

不能实例化类型变量

// 不能实例化类型变量
//    public Restrict(T data) {
//        this.data = new T();
//    }

不能捕获泛型类的实例

// 泛型类不能 extends Exception/Throwable
private class Problem<T> extends Exception;

// 不能捕获泛型类对象
public <T extends Throwable> void doWork(T x) {
    try {

    } catch (T x) {
        // do sth
    }
}

但是这样可以：

public <T extends Throwable> void doWorkSuccess(T x) throws T{
    try {
            
    }catch (Throwable e){
        throw x;
    }
}

泛型类型的继承规则

有一个类和子类

public class Employee {
}

public class Worker extends Employee {
}

有一个泛型类

public class Pair<T> {
}

那么 Pair<Employee> 和 Pair<Worker> 是继承关系吗？
答案：不是，他们之间没有什么关系。

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但是泛型类可以继承或者扩展其他泛型类，比如 List 和 ArrayList。

Pair<Employee> pair = new ExtendPair<>();

// 泛型类可以继承或者扩展其他泛型类，比如 List 和 ArrayList
private static class ExtendPair<T> extends Pair<T> {
}

通配符类型

上述代码中 Pair<Employee> 和 Pair<Worker> 没有任何关系，如果我们有一个泛型类和一个方法

public class GenericType<T> {
    private T data;

    public T getData() {
        return data;
    }

    public void setData(T data) {
        this.data = data;
    }
}

private static void print(GenericType<Fruit> p) {
    System.out.println(p.getData().getColor());
}

继承关系的类

public class Fruit {
}
public class Orange extends Fruit {
}
public class Apple extends Fruit{
}
public class HongFuShi extends Apple{
}

则会出现这种使用情况：

通配符类型 ? 可以解决上述问题。
有两种使用方式：

• ？ extends X 表示类型的上界，类型参数是X的子类
• ？ super X 表示类型的下界，类型参数是X的超类

无限定的通配符 ?

类型通配符是一个问号（？)，将一个问号作为类型实参传给 List 集合，写作：List<?>（意思是元素类型未知的 List ）。这个问号（？）被成为通配符，它的元素类型可以匹配任何类型。

public void test(List<?> c){
  for(int i =0;i<c.size();i++){
    System.out.println(c.get(i));
  }
}

现在可以传入任何类型的List来调用test()方法，程序依然可以访问集合c中的元素，其类型是Object。

List<?> c = new ArrayList<String>();
//编译器报错
c.add(new Object());

但是并不能把元素加入到其中。因为程序无法确定c集合中元素的类型，所以不能向其添加对象。
下面就该引入带限通配符，来确定集合元素中的类型。

上限通配符 ？extends X

如果想限制使用泛型类别时，只能用某个特定类型或者是其子类型才能实例化该类型时，可以在定义类型时，使用extends关键字指定这个类型必须是继承某个类，或者实现某个接口，也可以是这个类或接口本身。

它表示集合中的所有元素都是Shape类型或者其子类
List<? extends Shape>

上限通配符，使用关键字extends来实现，实例化时，指定类型实参只能是extends后类型的子类或其本身。

？ extends X 表示传递给方法的参数，必须是 X 的子类（包括X本身）。如下代码所示：

private static void print2(GenericType<? extends Fruit> p) {
    System.out.println(p.getData().getColor());
}

public static void main(String[] args) {
    GenericType<Fruit> genericType = new GenericType<>();
    print2(genericType);

    GenericType<Orange> genericType2 = new GenericType<>();
    print2(genericType2);

    GenericType<? extends Fruit> p = genericType;
}

但是对泛型类 GenericType 来说，如果其中提供了 get 和 set 类型参数变量的方法的话，set 方法是不允许被调用的，会出现编译错误。

public class GenericType<T> {
    private T data;

    public T getData() {
        return data;
    }

    public void setData(T data) {
        this.data = data;
    }
}

get 方法则没问题，会返回一个 Fruit 类型的值。

 GenericType<? extends Fruit> c = genericType;
 Fruit data = c.getData();

原因： ？ extends X 表示类型的上界，类型参数是 X 的子类，那么可以肯定的说，get 方法返回的一定是个 X（不管是X或者X的子类）编译器是可以确定知道的。但是 set 方法只知道传入的是个 X，至于具体是 X 的那个子类，不知道。

总结：主要用于安全地访问数据，可以访问X及其子类型，并且不能写入非null的数据。

下限通配符 ？super X

如果想限制使用泛型类别时，只能用某个特定类型或者是其父类型才能实例化该类型时，可以在定义类型时，使用super关键字指定这个类型必须是是某个类的父类，或者是某个接口的父接口，也可以是这个类或接口本身。

它表示集合中的所有元素都是Circle类型或者其父类
List <? super Circle>

这就是所谓的下限通配符，使用关键字super来实现，实例化时，指定类型实参只能是extends后类型的子类或其本身。
例如：

//Shape是其父类
List<? super Circle> list = new ArrayList<Shape>();

？super X表示传递给方法的参数，必须是 X 的超类（包括X本身）

对泛型类 GenericType 来说，如果其中提供了 get 和 set 类型参数变量的方法的话，set 方法可以被调用的，且能传入的参数只能是 X 或者 X 的子类

public class GenericType<T> {
    private T data;

    public T getData() {
        return data;
    }

    public void setData(T data) {
        this.data = data;
    }
}

get 方法只会返回一个 Object 类型的值。
原因：？ super X 表示类型的下界，类型参数是 X 的超类（包括 X 本身），那么可以肯定的说，get 方法返回的一定是个 X 的超类，那么到底是哪个超类？不知道，但是可以肯定的说，Object一定是它的超类，所以 get 方法返回Object。
编译器是可以确定知道的。对于 set 方法来说，编译器不知道它需要的确切类型，但是 X 和 X 的子类可以安全的转型为 X。
总结：主要用于安全地写入数据，可以写入 X 及其子类型。

类型擦除

Java 的泛型是伪泛型，这是因为 Java 在编译期间，所有的泛型信息都会被擦掉，正确理解泛型概念的首要前提是理解类型擦除。Java 的泛型基本上都是在编译器这个层次上实现的，在生成的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类型参数，在编译器编译的时候会去掉，这个过程成为类型擦除。

如在代码中定义 List<Object> 和 List<String> 等类型，在编译后都会变成 List， JVM 看到的只是 List，而由泛型附加的类型信息对 JVM 是看不到的。Java 编译器会在编译时尽可能的发现可能出错的地方，但是仍然无法在运行时刻出现的类型转换异常的情况。

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());

程序输出：

true

在这个例子中，我们定义了两个 ArrayList 数组，不过一个是 ArrayList<String> 泛型类型的，只能存储字符串；一个是 ArrayList<Integer> 泛型类型的，只能存储整数，最后，我们通过 list1 对象和 list2 对象的 getClass() 方法获取他们的类的信息，最后发现结果为 true。说明泛型类型 String 和 Integer 都被擦除掉了，只剩下原始类型。

类型擦除详细介绍

在静态方法、静态初始化块或者静态变量的声明和初始化中不允许使用类型形参。由于系统中并不会真正生成泛型类，所以instanceof运算符后不能使用泛型类。