Java基础：泛型的理解与使用（上）

难得有时间阅读源码，遇到了好久不用的泛型，忘的七七八八了，感觉到了天津除了自学之外其余时间都在搬砖，在这边我也算是个“大佬”吧，哈哈哈。对于遗忘的东西感觉每个人都差不多，就是回头复习再熟悉特别快！反正我不快，在不写博客的情况下。我每次忘记东西回头瞅一眼，自己曾经码过的博客，就又满血复活了，啦啦啦，那个仿佛又跑远了...

一. 泛型简介

Java泛型（generics）是 JDK 5中引入的一个新特性, 泛型提供了编译时类型安全检测机制，该机制允许程序员在编译时检测到非法的类型。

1. 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）。
    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。

2. 为什么要使用泛型（好处）

    Java 语言中引入泛型是一个较大的功能增强。不仅语言、类型系统和编译器有了较大的变化，以支持泛型，而且类库也进行了大翻修，所以许多重要的类，比如集合框架，都已经成为泛型化的了。这带来了很多好处：

（1）类型安全
    泛型的主要目标是提高 Java 程序的类型安全。通过知道使用泛型定义的变量的类型限制，编译器可以在一个高得多的程度上验证类型假设。

（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。

（3）潜在的性能收益
    泛型为较大的优化带来可能。在泛型的初始实现中，编译器将强制类型转换（没有泛型的话，程序员会指定这些强制类型转换）插入生成的字节码中。

二. 泛型基础

1. 命名类型参考

    推荐的命名约定是使用大写的单个字母名称作为类型参数。反映了大多数泛型类将具有少量类型参数的假定。对于常见的泛型模式，推荐的名称是：

K —— 键，比如映射的键。
V —— 值，比如 List 和 Set 的内容，或者 Map 中的值。
E —— 异常类。
T —— 泛型。

2. 泛型类

    泛型类型用于类的定义中，被称为泛型类。通过泛型可以完成对一组类的操作对外开放相同的接口。最典型的就是各种容器类，如：List 、Set 、Map 。
泛型类的最基本写法：

class 类名称 <泛型标识：可以随便写任意标识号，标识指定的泛型的类型>{
  private 泛型标识 /*（成员变量类型）*/ var; 
  .....

  }
}

看上面可能有点晕，我们首先定义一个简单的 Normal 类：

public class Normal{

    private String object;

    public Normal(String object) {
         this.object = object;
   }

    public String get() { 
         return object; 
   }
}

    这是最常见的做法，这样做的一个坏处是 Normal 里面现在只能装入 String 类型的元素，今后如果我们需要装入Integer等其他类型的元素，还必须要另外重写一个 Normal ，代码得不到复用，使用泛型可以很好的解决这个问题。

//此处T可以随便写为任意标识，常见的如T、E、K、V等形式的参数常用于表示泛型
//在实例化泛型类时，必须指定T的具体类型
public class Generic<T>{ 
    //key这个成员变量的类型为T,T的类型由外部指定  
    private T key;

    public Generic(T key) { //泛型构造方法形参key的类型也为T，T的类型由外部指定
        this.key = key;
    }

    public T getKey(){ //泛型方法getKey的返回值类型为T，T的类型由外部指定
        return key;
    }
}

这样我们的 Normal 类便可以得到复用，我们可以将 T 替换成任何我们想要的类型：

//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
//传入的实参类型需与泛型的类型参数类型相同，即为Integer.
Generic<Integer> genericInteger = new Generic<Integer>(123456);

//传入的实参类型需与泛型的类型参数类型相同，即为String.
Generic<String> genericString = new Generic<String>("key_vlaue");
Log.d("泛型测试","key is " + genericInteger.getKey());
Log.d("泛型测试","key is " + genericString.getKey());

输出：

06-15 09:20:04.432 13063-13063/? D/泛型测试: key is 123456
06-15 09:20:04.432 13063-13063/? D/泛型测试: key is key_vlaue

    定义的泛型类，就一定要传入泛型类型实参么？并不是这样，在使用泛型的时候如果传入泛型实参，则会根据传入的泛型实参做相应的限制，此时泛型才会起到本应起到的限制作用。如果不传入泛型类型实参的话，在泛型类中使用泛型的方法或成员变量定义的类型可以为任何的类型。
看一个例子：

Generic generic = new Generic("111111");
Generic generic1 = new Generic(4444);
Generic generic2 = new Generic(55.55);
Generic generic3 = new Generic(false);

Log.d("泛型测试","key is " + generic.getKey());
Log.d("泛型测试","key is " + generic1.getKey());
Log.d("泛型测试","key is " + generic2.getKey());
Log.d("泛型测试","key is " + generic3.getKey());

结果：

D/泛型测试: key is 111111
D/泛型测试: key is 4444
D/泛型测试: key is 55.55
D/泛型测试: key is false

3. 泛型接口

泛型接口与泛型类的定义及使用基本相同。泛型接口常被用在各种类的生产器中，可以看一个例子：

//定义一个泛型接口
public interface Info<T> {
   public T getVar() ; // 定义抽象方法，抽象方法的返回值就是泛型类型  
}

当实现泛型接口的类，未传入泛型实参时：

/**
 * 未传入泛型实参时，与泛型类的定义相同，在声明类的时候，需将泛型的声明也一起加到类中
 * 即：class FruitGenerator<T> implements Info<T>{
 * 如果不声明泛型，如：class FruitGenerator implements Info<T>，
 * 编译器会报错："Unknown class"
 */
class FruitGenerator<T> implements Generator<T>{
    @Override
    public T next() {
        return null;
    }
}

例：
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 GenericsDemo{  
    public static void main(String arsg[]){  
        Info<String> i = null;        // 声明接口对象  
        i = new InfoImpl<String>("小四") ; // 通过子类实例化对象  
        System.out.println("内容：" + i.getVar()) ;  
    }  
};  

当实现泛型接口的类，传入泛型实参时：

/**
 * 传入泛型实参时：
 * 定义一个生产器实现这个接口,虽然我们只创建了一个泛型接口Info<T>
 * 但是我们可以为T传入无数个实参，形成无数种类型的Info接口。
 * 在实现类实现泛型接口时，如已将泛型类型传入实参类型，则所有使用泛型的地方都要替换成传入的实参类型
 * 即：Info<T>，public T next();中的的T都要替换成传入的String类型。
 */
public class FruitGenerator implements Generator<String> {

    private String[] fruits = new String[]{"Apple", "Banana", "Pear"};

    @Override
    public String next() {
        Random rand = new Random();
        return fruits[rand.nextInt(3)];
    }
}

例：
class InfoImpl implements Info<String>{   // 定义泛型接口的子类  
    private String var ;                // 定义属性  
    public InfoImpl(String var){        // 通过构造方法设置属性内容  
        this.setVar(var) ;    
    }  
    public void setVar(String var){  
        this.var = var ;  
    }  
    public String getVar(){  
        return this.var ;  
    }  
};  
public class GenericsDemo{  
    public static void main(String arsg[]){  
        Info i = null;      // 声明接口对象  
        i = new InfoImpl("小四") ;   // 通过子类实例化对象  
        System.out.println("内容：" + i.getVar()) ;  
    }  
};  

4. 泛型方法

在java中,泛型类的定义非常简单，但是泛型方法就比较复杂了。

尤其是我们见到的大多数泛型类中的成员方法也都使用了泛型，
有的甚至泛型类中也包含着泛型方法，这样在初学者中非常容易将泛型方法理解错了。

泛型类，是在实例化类的时候指明泛型的具体类型；泛型方法，是在调用方法的时候指明泛型的具体类型 。

/**
 * 泛型方法的基本介绍
 * @param tClass 传入的泛型实参
 * @return T 返回值为T类型
 * 说明：
 *     1）public 与 返回值中间<T>非常重要，可以理解为声明此方法为泛型方法。
 *     2）只有声明了<T>的方法才是泛型方法，泛型类中的使用了泛型的成员方法并不是泛型方法。
 *     3）<T>表明该方法将使用泛型类型T，此时才可以在方法中使用泛型类型T。
 *     4）与泛型类的定义一样，此处T可以随便写为任意标识，常见的如T、E、K、V等形式的参数常用于表示泛型。
 */
public <T> T genericMethod(Class<T> tClass)throws InstantiationException ,
  IllegalAccessException{
        T instance = tClass.newInstance();
        return instance;
}

Object obj = genericMethod(Class.forName("com.test.test"));

（1）泛型方法的基本用法
光看上面的例子有的同学可能依然会非常迷糊，我们再通过一个例子，把我泛型方法再总结一下。

public class GenericTest {
   //这个类是个泛型类，在上面已经介绍过
   public class Generic<T>{     
        private T key;

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

        //我想说的其实是这个，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 = keu
        }
        */
    }

    /** 
     * 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 
     *    如：public <T,K> K showKeyName(Generic<T> container){
     *        ...
     *        }
     */
    public <T> T showKeyName(Generic<T> container){
        System.out.println("container key :" + container.getKey());
        //当然这个例子举的不太合适，只是为了说明泛型方法的特性。
        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 showKeyValue1(Generic<Number> obj){
        Log.d("泛型测试","key value is " + obj.getKey());
    }

    //这也不是一个泛型方法，这也是一个普通的方法，只不过使用了泛型通配符?
    //同时这也印证了泛型通配符章节所描述的，?是一种类型实参，可以看做为Number等所有类的父类
    public void showKeyValue2(Generic<?> obj){
        Log.d("泛型测试","key value is " + obj.getKey());
    }

     /**
     * 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> T showKeyName(Generic<E> container){
        ...
    }  
    */

    /**
     * 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 showkey(T genericObj){

    }
    */

    public static void main(String[] args) {


    }
}

（2）类中的泛型方法
    当然这并不是泛型方法的全部，泛型方法可以出现杂任何地方和任何场景中使用。但是有一种情况是非常特殊的，当泛型方法出现在泛型类中时，我们再通过一个例子看一下：

public class GenericFruit {
    class Fruit{
        @Override
        public String toString() {
            return "fruit";
        }
    }

    class Apple extends Fruit{
        @Override
        public String toString() {
            return "apple";
        }
    }

    class Person{
        @Override
        public String toString() {
            return "Person";
        }
    }

    class GenerateTest<T>{
        public void show_1(T t){
            System.out.println(t.toString());
        }

        //在泛型类中声明了一个泛型方法，使用泛型E，这种泛型E可以为任意类型。可以类型与T相同，也可以不同。
        //由于泛型方法在声明的时候会声明泛型<E>，因此即使在泛型类中并未声明泛型，编译器也能够正确识别泛型方法中识别的泛型。
        public <E> void show_3(E t){
            System.out.println(t.toString());
        }

        //在泛型类中声明了一个泛型方法，使用泛型T，注意这个T是一种全新的类型，可以与泛型类中声明的T不是同一种类型。
        public <T> void show_2(T t){
            System.out.println(t.toString());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Apple apple = new Apple();
        Person person = new Person();

        GenerateTest<Fruit> generateTest = new GenerateTest<Fruit>();
        //apple是Fruit的子类，所以这里可以
        generateTest.show_1(apple);
        //编译器会报错，因为泛型类型实参指定的是Fruit，而传入的实参类是Person
        //generateTest.show_1(person);

        //使用这两个方法都可以成功
        generateTest.show_2(apple);
        generateTest.show_2(person);

        //使用这两个方法也都可以成功
        generateTest.show_3(apple);
        generateTest.show_3(person);
    }
}

（3）泛型方法与可变参数
再看一个泛型方法和可变参数的例子：

public <T> void printMsg( T... args){
    for(T t : args){
        Log.d("泛型测试","t is " + t);
    }
}
------
printMsg("111",222,"aaaa","2323.4",55.55);

（4）静态方法与泛型
静态方法有一种情况需要注意一下，那就是在类中的静态方法使用泛型：
静态方法无法访问类上定义的泛型；如果静态方法操作的引用数据类型不确定的时候，必须要将泛型定义在方法上。

即：如果静态方法要使用泛型的话，必须将静态方法也定义成泛型方法 。

public class StaticGenerator<T> {
    ....
    ....
    /**
     * 如果在类中定义使用泛型的静态方法，需要添加额外的泛型声明（将这个方法定义成泛型方法）
     * 即使静态方法要使用泛型类中已经声明过的泛型也不可以。
     * 如：public static void show(T t){..},此时编译器会提示错误信息：
          "StaticGenerator cannot be refrenced from static context"
     */
    public static <T> void show(T t){

    }
}

（5）边界符
现在我们要实现这样一个功能，查找一个泛型数组中大于某个特定元素的个数，我们可以这样实现：

public static <T> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
    int count = 0;
    for (T e : anArray)
        if (e > elem)  // compiler error
            ++count;
    return count;
}

    但是这样很明显是错误的，因为除了 short , int , double , long , float , byte , char 等原始类型，其他的类并不一定能使用操作符>，所以编译器报错，那怎么解决这个问题呢？答案是使用边界符。

public interface Comparable<T> {
    public int compareTo(T o);
}

    做一个类似于下面这样的声明，这样就等于告诉编译器类型参数 T 代表的都是实现了 Comparable 接口的类，这样等于告诉编译器它们都至少实现了 compareTo 方法。

public static <T extends Comparable<T>> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
    int count = 0;
    for (T e : anArray)
        if (e.compareTo(elem) > 0)
            ++count;
    return count;
}

（6）泛型方法总结
泛型方法能使方法独立于类而产生变化，以下是一个基本的指导原则：

无论何时，如果你能做到，你就该尽量使用泛型方法。也就是说，如果使用泛型方法将整个类泛型化，那么就应该使用泛型方法。另外对于一个 static 的方法而已，无法访问泛型类型的参数。所以如果 static 方法要使用泛型能力，就必须使其成为泛型方法。

5. 泛型通配符

    类型通配符一般是使用 ? 代替具体的类型参数。例如 List<?> 在逻辑上是 List<String> , List<Integer> 等所有 List<具体类型实参> 的父类。

import java.util.*;
 
public class GenericTest {
     
    public static void main(String[] args) {
        List<String> name = new ArrayList<String>();
        List<Integer> age = new ArrayList<Integer>();
        List<Number> number = new ArrayList<Number>();
        
        name.add("icon");
        age.add(18);
        number.add(314);
 
        getData(name);
        getData(age);
        getData(number);
       
   }
 
   public static void getData(List<?> data) {
      System.out.println("data :" + data.get(0));
   }
}

输出结果为：

data :icon
data :18
data :314

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，见 6。

6. 受限泛型

（1）泛型上限

泛型上限：表示参数化的类型可能是所指定类型，或者是其子类。

import java.util.*;
 
public class GenericTest {
     
    public static void main(String[] args) {
        List<String> name = new ArrayList<String>();
        List<Integer> age = new ArrayList<Integer>();
        List<Number> number = new ArrayList<Number>();
        
        name.add("icon");
        age.add(18);
        number.add(314);
 
        //getUperNumber(name);//1
        getUperNumber(age);//2
        getUperNumber(number);//3
       
   }
 
   public static void getData(List<?> data) {
      System.out.println("data :" + data.get(0));
   }
   
   public static void getUperNumber(List<? extends Number> data) {
          System.out.println("data :" + data.get(0));
       }
}

输出结果：

data :18
data :314

解析：

在 `(//1)`处会出现错误，因为getUperNumber()方法中的参数已经限定了参数泛型上限为Number，
所以泛型为String是不在这个范围之内，所以会报错

    类型通配符上限通过形如 List 来定义，如此定义就是通配符泛型值接受 Number 及其下层子类类型。

（2）泛型下限

泛型下限：使用的泛型只能是本类及其父类类型上应用的时候，就必须使用泛型的下限。
    类型通配符下限通过形如 List<? super Number>来定义，表示类型只能接受 Number 及其三层父类类型，如 Objec 类型的实例。

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 GenericsDemo{  
    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  
        System.out.print(temp + "、") ;  
    }  
};  

再来一个泛型方法的例子：

//在泛型方法中添加上下边界限制的时候，必须在权限声明与返回值之间的<T>上添加上下边界，即在泛型声明的时候添加
//public <T> T showKeyName(Generic<T extends Number> container)，编译器会报错："Unexpected bound"
public <T extends Number> T showKeyName(Generic<T> container){
    System.out.println("container key :" + container.getKey());
    T test = container.getKey();
    return test;
}

通过上面的例子可以看出：泛型的上下边界添加，必须与泛型的声明在一起

7. 关于泛型数组要提一下

    看到了很多文章中都会提起泛型数组，经过查看sun的说明文档，在java中是”不能创建一个确切的泛型类型的数组”的。
也就是说下面的这个例子是不可以的：

List<String>[] ls = new ArrayList<String>[10];  

而使用通配符创建泛型数组是可以的，如下面这个例子：

List<?>[] ls = new ArrayList<?>[10];  
或者：
List<String>[] ls = new ArrayList[10];

下面使用Sun的一篇文档的一个例子来说明这个问题：

List<String>[] lsa = new List<String>[10]; // Not really allowed.    
Object o = lsa;    
Object[] oa = (Object[]) o;    
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();    
li.add(new Integer(3));    
oa[1] = li; // Unsound, but passes run time store check    
String s = lsa[1].get(0); // Run-time error: ClassCastException.

这种情况下，由于JVM泛型的擦除机制，在运行时JVM是不知道泛型信息的，所以可以给oa[1]赋上一个ArrayList而不会出现异常，但是在取出数据的时候却要做一次类型转换，所以就会出现ClassCastException，如果可以进行泛型数组的声明，上面说的这种情况在编译期将不会出现任何的警告和错误，只有在运行时才会出错。
而对泛型数组的声明进行限制，对于这样的情况，可以在编译期提示代码有类型安全问题，比没有任何提示要强很多。

    下面采用通配符的方式是被允许的:数组的类型不可以是类型变量，除非是采用通配符的方式，因为对于通配符的方式，最后取出数据是要做显式的类型转换的。

List<?>[] lsa = new List<?>[10]; // OK, array of unbounded wildcard type.    
Object o = lsa;    
Object[] oa = (Object[]) o;    
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();    
li.add(new Integer(3));    
oa[1] = li; // Correct.    
Integer i = (Integer) lsa[1].get(0); // OK 

最后，参考链接：
java 泛型详解-绝对是对泛型方法讲解最详细的，没有之一
深入理解java泛型
Java泛型详解