Java 中的泛型

1、泛型的概述：

1.1 泛型的由来

根据《Java编程思想》中的描述，泛型出现的动机：
有很多原因促成了泛型的出现，而最引人注意的一个原因，就是为了创建容器类。

泛型的思想很早就存在，如C++中的模板（Templates）。模板的精神：参数化类型

1.2 基本概述

泛型的本质就是"参数化类型"。一提到参数，最熟悉的就是定义方法的时候需要形参，调用方法的时候，需要传递实参。那"参数化类型"就是将原来具体的类型参数化
泛型的出现避免了强转的操作，在编译器完成类型转化，也就避免了运行的错误。

1.3 泛型的目的

Java泛型也是一种语法糖，在编译阶段完成类型的转换的工作，避免在运行时强制类型转换而出现ClassCastException,类型转化异常。

1.4 实例

JDK 1.5时增加了泛型，在很大的程度上方便在集合上的使用。

不使用泛型：

public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        list.add(11);
        list.add("ssss");
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println((String)list.get(i));
        }
    }

复制代码因为list类型是Object。所以int,String类型的数据都是可以放入的，也是都可以取出的。但是上述的代码，运行的时候就会抛出类型转化异常，这个相信大家都能明白。

使用泛型：

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

复制代码在上述的实例中，我们只能添加String类型的数据，否则编译器会报错。

2 为什么我们需要泛型？

通过两段代码我们就可以知道为何我们需要泛型

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实际开发中，经常有数值类型求和的需求，例如实现int类型的加法, 有时候还需要实现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。

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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。

所以泛型的好处就是：

• 适用于多种数据类型执行相同的代码
• 泛型中的类型在使用时指定，不需要强制类型转换

3 泛型类和泛型接口

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。

• 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。

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• 泛型接口与泛型类的定义基本相同。

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• 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：

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在new出类的实例时，需要指定具体类型：

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2. 传入泛型实参

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在new出类的实例时，和普通的类没区别。

4 泛型方法

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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：

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泛型方法

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5 限定类型变量

有时候，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。

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请问，如果确保传入的两个变量一定有compareTo方法？那么解决这个问题的方案就是将T限制为实现了接口Comparable的类

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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。

如果这个时候，我们试图传入一个没有实现接口Comparable的类的实例，将会发生编译错误。

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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。

泛型中的约束和局限性

现在我们有泛型类

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不能用基本类型实例化类型参数

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运行时类型查询只适用于原始类型

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泛型类的静态上下文中类型变量失效

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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

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不能实例化类型变量

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不能捕获泛型类的实例

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但是这样可以：

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6 泛型类型的继承规则

现在我们有一个类和子类

public class Employee {

public class Worker extends Employee {

有一个泛型类

public class Pair<T>

请问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

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7 通配符类型

正是因为前面所述的，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

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现在我们有继承关系的类

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则会产生这种情况：

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为解决这个问题，于是提出了一个通配符类型 ?

有两种使用方式：

？ extends T 表示类型的上界，类型参数是T的子类

？ super T 表示类型的下界，类型参数是T的超类

这两种 方式从名字上来看，特别是super，很有迷惑性，下面我们来仔细辨析这两种方法。

7.1 ？ extends T

表示传递给方法的参数，必须是T的子类（包括T本身）

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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

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get方法则没问题，会返回一个Fruit类型的值。

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为何？

道理很简单，？ extends T 表示类型的上界，类型参数是T的子类，那么可以肯定的说，get方法返回的一定是个T（不管是T或者T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T，至于具体是T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。

7.2 ？ super T

表示传递给方法的参数，必须是T的超类（包括T本身）

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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方法可以被调用的，且能传入的参数只能是T或者T的子类

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get方法只会返回一个Object类型的值。

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为何？

？ super T 表示类型的下界，类型参数是X的超类（包括T本身），那么可以肯定的说，get方法返回的一定是个T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T和T的子类可以安全的转型为T。

总结：主要用于安全地写入数据，可以写入T及其子类型。

8 泛型擦除

8.1 概念

编译器编译带类型说明的集合时会去掉类型信息

8.2 验证实例：

public class GenericTest {
    public static void main(String[] args) {
        new GenericTest().testType();
    }

    public void testType(){
        ArrayList<Integer> collection1 = new ArrayList<Integer>();
        ArrayList<String> collection2= new ArrayList<String>();
        
        System.out.println(collection1.getClass()==collection2.getClass());
        //两者class类型一样,即字节码一致
        
        System.out.println(collection2.getClass().getName());
        //class均为java.util.ArrayList,并无实际类型参数信息
    }
}

输出结果：

true
java.util.ArrayList

分析：

这是因为不管为泛型的类型形参传入哪一种类型实参，对于Java来说，它们依然被当成同一类处理，在内存中也只占用一块内存空间。从Java泛型这一概念提出的目的来看，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。
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

9 泛型与反射

把泛型变量当成方法的参数，利用Method类的getGenericParameterTypes方法来获取泛型的实际类型参数
例子：

public class GenericTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        getParamType();
    }
    
     /*利用反射获取方法参数的实际参数类型*/
    public static void getParamType() throws NoSuchMethodException{
        Method method = GenericTest.class.getMethod("applyMap",Map.class);
        //获取方法的泛型参数的类型
        Type[] types = method.getGenericParameterTypes();
        System.out.println(types[0]);
        //参数化的类型
        ParameterizedType pType  = (ParameterizedType)types[0];
        //原始类型
        System.out.println(pType.getRawType());
        //实际类型参数
        System.out.println(pType.getActualTypeArguments()[0]);
        System.out.println(pType.getActualTypeArguments()[1]);
    }

    /*供测试参数类型的方法*/
    public static void applyMap(Map<Integer,String> map){

    }
}

输出结果：

java.util.Map<java.lang.Integer, java.lang.String>
interface java.util.Map
class java.lang.Integer
class java.lang.String

通过反射绕开编译器对泛型的类型限制

public static void main(String[] args) throws Exception {
        //定义一个包含int的链表
        ArrayList<Integer> al = new ArrayList<Integer>();
        al.add(1);
        al.add(2);
        //获取链表的add方法，注意这里是Object.class，如果写int.class会抛出NoSuchMethodException异常
        Method m = al.getClass().getMethod("add", Object.class);
        //调用反射中的add方法加入一个string类型的元素，因为add方法的实际参数是Object
        m.invoke(al, "hello");
        System.out.println(al.get(2));
    }

10 无限定的通配符 ?

表示对类型没有什么限制，可以把？看成所有类型的父类，如Pair< ?>；

比如：

ArrayList<T> al=new ArrayList<T>();// 指定集合元素只能是T类型

ArrayList<?> al=new ArrayList<?>();//集合元素可以是任意类型，这种没有意义，一般是方法中，只是为了说明用法。

在使用上：

？ getFirst() ： 返回值只能赋给 Object，；

void setFirst(?) ： setFirst 方法不能被调用， 甚至不能用 Object 调用；

11 虚拟机是如何实现泛型的？

泛型思想早在C++语言的模板（Template）中就开始生根发芽，在Java语言处于还没有出现泛型的版本时，只能通过Object是所有类型的父类和类型强制转换两个特点的配合来实现类型泛化。，由于Java语言里面所有的类型都继承于java.lang.Object，所以Object转型成任何对象都是有可能的。但是也因为有无限的可能性，就只有程序员和运行期的虚拟机才知道这个Object到底是个什么类型的对象。在编译期间，编译器无法检查这个Object的强制转型是否成功，如果仅仅依赖程序员去保障这项操作的正确性，许多ClassCastException的风险就会转嫁到程序运行期之中。

泛型技术在C#和Java之中的使用方式看似相同，但实现上却有着根本性的分歧，C#里面泛型无论在程序源码中、编译后的IL中（Intermediate Language，中间语言，这时候泛型是一个占位符），或是运行期的CLR中，都是切实存在的，List＜int＞与List＜String＞就是两个不同的类型，它们在系统运行期生成，有自己的虚方法表和类型数据，这种实现称为类型膨胀，基于这种方法实现的泛型称为真实泛型。

Java语言中的泛型则不一样，它只在程序源码中存在，在编译后的字节码文件中，就已经替换为原来的原生类型（Raw Type，也称为裸类型）了，并且在相应的地方插入了强制转型代码，因此，对于运行期的Java语言来说，ArrayList＜int＞与ArrayList＜String＞就是同一个类，所以泛型技术实际上是Java语言的一颗语法糖，Java语言中的泛型实现方法称为类型擦除，基于这种方法实现的泛型称为伪泛型。

将一段Java代码编译成Class文件，然后再用字节码反编译工具进行反编译后，将会发现泛型都不见了，程序又变回了Java泛型出现之前的写法，泛型类型都变回了原生类型

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上面这段代码是不能被编译的，因为参数List＜Integer＞和List＜String＞编译之后都被擦除了，变成了一样的原生类型List＜E＞，擦除动作导致这两种方法的特征签名变得一模一样。

由于Java泛型的引入，各种场景（虚拟机解析、反射等）下的方法调用都可能对原有的基础产生影响和新的需求，如在泛型类中如何获取传入的参数化类型等。因此，JCP组织对虚拟机规范做出了相应的修改，引入了诸如Signature、LocalVariableTypeTable等新的属性用于解决伴随泛型而来的参数类型的识别问题，Signature是其中最重要的一项属性，它的作用就是存储一个方法在字节码层面的特征签名[3]，这个属性中保存的参数类型并不是原生类型，而是包括了参数化类型的信息。修改后的虚拟机规范要求所有能识别49.0以上版本的Class文件的虚拟机都要能正确地识别Signature参数。

另外，从Signature属性的出现我们还可以得出结论，擦除法所谓的擦除，仅仅是对方法的Code属性中的字节码进行擦除，实际上元数据中还是保留了泛型信息，这也是我们能通过反射手段取得参数化类型的根本依据。