Java泛型详解

作者: DaphX | 来源:发表于2022-08-09 10:46 被阅读0次

一、泛型本质

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。

泛型的本质是参数化类型，即给类型指定一个参数，然后在使用时再指定此参数具体的值，那样这个类型就可以在使用时决定了。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。

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二、为什么使用泛型

泛型的好处是在编译的时候检查类型安全，并且所有的强制转换都是自动和隐式的，提高代码的重用率。

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2.1 保证了类型的安全性

在没有泛型之前，从集合中读取到的每一个对象都必须进行类型转换，如果不小心插入了错误的类型对象，在运行时的转换处理就会出错。

比如：没有泛型的情况下使用集合：

public static void noGeneric() {
  ArrayList names = new ArrayList();
  names.add("mikechen的互联网架构");
  names.add(123); //编译正常
}

有泛型的情况下使用集合：

public static void useGeneric() {
  ArrayList<String> names = new ArrayList<>();
  names.add("mikechen的互联网架构");
  names.add(123); //编译不通过
}

有了泛型后，定义好的集合names在编译的时候add(123)就会编译不通过。

相当于告诉编译器每个集合接收的对象类型是什么，编译器在编译期就会做类型检查，告知是否插入了错误类型的对象，使得程序更加安全，增强了程序的健壮性。

2.2 消除强制转换

泛型的一个附带好处是，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。
还是举例说明，以下没有泛型的代码段需要强制转换：

List list = new ArrayList();
list.add("hello");
String s = (String) list.get(0);

当重写为使用泛型时，代码不需要强制转换：

List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("hello");
String s = list.get(0); // no cast

2.3 提升性能

避免了不必要的装箱、拆箱操作，提高程序的性能

在非泛型编程中，将筒单类型作为Object传递时会引起Boxing（装箱）和Unboxing（拆箱）操作，这两个过程都是具有很大开销的。引入泛型后，就不必进行Boxing和Unboxing操作了，所以运行效率相对较高，特别在对集合操作非常频繁的系统中，这个特点带来的性能提升更加明显。

泛型变量固定了类型，使用的时候就已经知道是值类型还是引用类型，避免了不必要的装箱、拆箱操作。

Object a=1;//由于是object类型，会自动进行装箱操作。
int b=(int)a;//强制转换，拆箱操作。这样一去一来，当次数多了以后会影响程序的运行效率。

使用泛型之后

public static T GetValue<T>(T a){
　　return a;
}

public static void Main(){
　　int b=GetValue<int>(1);//使用这个方法的时候已经指定了类型是int，所以不会有装箱和拆箱的操作。
}

2.4 提高了代码的重用性

这就不必说了。

三、如何使用泛型

泛型有三种使用方式，分别为：泛型类、泛型接口 和 泛型方法。

3.1 泛型类

泛型类：把泛型定义在类上，在创建类的对象时指明泛型的具体类型

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定义格式：

public class 类名 <泛型类型1,...> {

}

注意事项：泛型类型必须是引用类型（非基本数据类型）

定义泛型类，在类名后添加一对尖括号，并在尖括号中填写类型参数，参数可以有多个，多个参数使用逗号分隔：

public class GenericClass<ab,a,c> {}

当然，这个后面的参数类型也是有规范的，不能像上面一样随意，通常类型参数我们都使用大写的单个字母表示：
T：任意类型 type
E：集合中元素的类型 element
K：key-value形式 key
V： key-value形式 value

示例代码：泛型类

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

测试类：

GenericClass<String> name = new GenericClass<String>("mikechen的互联网架构");
System.out.println(name.getValue());
 
GenericClass<Integer> number = new GenericClass<Integer>(123);
System.out.println(number.getValue());

3.2 泛型接口

泛型接口：把泛型定义在接口上，在创建接口实现类的时候指明泛型的具体类型

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定义格式：

public interface 接口名 <泛型类型1,...> {

}

示例代码：泛型接口

public interface GenericInterface<T> {
  void show(T value);
}

public class StringShowImpl implements GenericInterface<String> { 
  @Override
  public void show(String value) {
    System.out.println(value);
  }
}
 
public class NumberShowImpl implements GenericInterface<Integer> {
  @Override
  public void show(Integer value) {
    System.out.println(value);
  }
}

注意：使用泛型接口的时候，前后定义的泛型类型必须保持一致，否则会出现编译异常：

GenericInterface<String> genericInterface = new NumberShowImpl(); //编译异常

或者干脆不指定类型，那么 new 什么类型都是可以的：

GenericInterface g1 = new NumberShowImpl();
GenericInterface g2 = new StringShowImpl();

3.3 泛型方法

泛型方法，是在调用方法的时候指明泛型的具体类型。

定义格式：

image.png

示例代码：泛型方法

/**
* @param t 传入泛型的参数
* @param <T> 泛型的类型
* @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等形式的参数常用于表示泛型。
*/
public <T> T genercMethod(T t){
  System.out.println(t.getClass());
  System.out.println(t);
  return t;
}

public static void main(String[] args) {
  GenericsClassDemo<String> genericString  = new GenericsClassDemo("helloGeneric"); //这里的泛型跟下面调用的泛型方法可以不一样。
  String str = genericString.genercMethod("hello");//传入的是String类型,返回的也是String类型
  Integer i = genericString.genercMethod(123);//传入的是Integer类型,返回的也是Integer类型
}

class java.lang.String
hello
 
class java.lang.Integer
123

这里可以看出，泛型方法随着我们的传入参数类型不同，他得到的类型也不同。泛型方法能使方法独立于类而产生变化。

注意要点：

方法声明中定义的形参只能在该方法里使用，而接口、类声明中定义的类型形参则可以在整个接口、类中使用。
当调用genercMethod()方法时，根据传入的实际对象，编译器就会判断出类型形参T所代表的实际类型。

四、泛型中KTVE的含义

果点开JDK中一些泛型类的源码，我们会看到下面这些代码：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{
...
}
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
...
}

上面这些泛型类定义中的泛型参数E、K和V都是什么意思呢？其实这些参数名称是可以任意指定，就想方法的参数名一样可以任意指定，但是我们通常会起一个有意义的名称，让别人一看就知道是什么意思。泛型参数也一样，E一般是指元素，用来集合类中。

常见泛型参数名称有如下：

E： Element (在集合中使用，因为集合中存放的是元素)
T：Type（Java 类）
K： Key（键）
V： Value（值）
N： Number（数值类型）
？：表示不确定的java类型

五、泛型的实现原理

泛型本质是将数据类型参数化，它通过擦除的方式来实现，即编译器会在编译期间「擦除」泛型语法并相应的做出一些类型转换动作。

看一个例子就应该清楚了，例如：

public class Caculate<T> {
  private T num;
}

我们定义了一个泛型类，定义了一个属性成员，该成员的类型是一个泛型类型，这个 T 具体是什么类型，我们也不知道，它只是用于限定类型的。

反编译一下这个 Caculate 类：

public class Caculate{
  public Caculate(){}
  private Object num;
}

发现编译器擦除 Caculate 类后面的两个尖括号，并且将 num 的类型定义为 Object 类型。

那么是不是所有的泛型类型都以 Object 进行擦除呢？大部分情况下，泛型类型都会以 Object 进行替换，而有一种情况则不是。那就是使用到了extends和super语法的有界类型，如：

public class Caculate<T extends String> {
private T num;
}

这种情况的泛型类型，num 会被替换为 String 而不再是 Object。

这是一个类型限定的语法，它限定 T 是 String 或者 String 的子类，也就是你构建 Caculate 实例的时候只能限定 T 为 String 或者 String 的子类，所以无论你限定 T 为什么类型，String 都是父类，不会出现类型不匹配的问题，于是可以使用 String 进行类型擦除。

实际上编译器会正常的将使用泛型的地方编译并进行类型擦除，然后返回实例。但是除此之外的是，如果构建泛型实例时使用了泛型语法，那么编译器将标记该实例并关注该实例后续所有方法的调用，每次调用前都进行安全检查，非指定类型的方法都不能调用成功。

实际上编译器不仅关注一个泛型方法的调用，它还会为某些返回值为限定的泛型类型的方法进行强制类型转换，由于类型擦除，返回值为泛型类型的方法都会擦除成 Object 类型，当这些方法被调用后，编译器会额外插入一行 checkcast 指令用于强制类型转换，这一个过程就叫做『泛型翻译』。

六、菱形语法

在 Java 7 版本以前，如果使用带泛型的接口、类定义变量，那么调用构造器创建对象时构造器的后面也必须带泛型，这显得有些多余了。例如如下两条语句：

List<String> strList = new ArrayList<String>();
Map<String, Integer> scores = new HashMap<String, Integer>();

从 Java 7 开始，Java 允许在构造器后不带完整的泛型信息，只要给出一对尖括号<>即可。Java 可以推断出尖括号里应该是什么泛型信息。
即上面两条语句可以改写为如下形式：

List<String> strList = new ArrayList<>();
Map<String, Integer> scores = new HashMap<>();

把两个尖括号并排放在一起非常像一个菱形，这种语法也就被称为菱形语法。

七、泛型通配符（泛型的高阶用法）

Java泛型的通配符是用于解决泛型之间引用传递问题的特殊语法, 主要有以下三类:

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//表示类型参数可以是任何类型
public class Apple<?>{}
 
//表示类型参数必须是A或者是A的子类
public class Apple<T extends A>{}
 
//表示类型参数必须是A或者是A的超类型
public class Apple<T supers A>{}

无边界的通配符(Unbounded Wildcards)，就是<?>, 比如List<?>

无边界的通配符的主要作用就是让泛型能够接受未知类型的数据.

固定上边界的通配符(Upper Bounded Wildcards)，采用<? extends E>的形式

使用固定上边界的通配符的泛型, 就能够接受指定类及其子类类型的数据。
要声明使用该类通配符, 采用<? extends E>的形式, 这里的E就是该泛型的上边界。
这里虽然用的是extends关键字, 却不仅限于继承了父类E的子类, 也可以代指实现了接口E的类

固定下边界的通配符(Lower Bounded Wildcards)，采用<? super E>的形式

使用固定下边界的通配符的泛型, 就能够接受指定类及其父类类型的数据.。
要声明使用该类通配符, 采用<? super E>的形式, 这里的E就是该泛型的下边界.。

你可以为一个泛型指定上边界或下边界, 但是不能同时指定上下边界。

下面举几个列子，说明以下三个问题：

T和？有什么区别？
什么时候使用 extends 和 super？

Java泛型详解

一、泛型本质

二、为什么使用泛型

2.1 保证了类型的安全性

2.2 消除强制转换

2.3 提升性能

2.4 提高了代码的重用性

三、如何使用泛型

3.1 泛型类

3.2 泛型接口

3.3 泛型方法

四、泛型中KTVE的含义

五、泛型的实现原理

六、菱形语法

七、泛型通配符（泛型的高阶用法）

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