为什么我们需要泛型呢？

通过下面两段代码就可以知道为什么需要泛型了：

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

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

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，需要重新在重写一个输入是double类型的add方法。

 public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        list.add("aa");
        list.add("bb");
        list.add(133);
        for (int i = 0; i <list.size() ; i++) {
            String name = (String) list.get(i);
            System.out.println("name"+ name);
        }
    }

上面这段代码运行会报以下这个错

image1

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image1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，上面代码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：
1.适用于多种数据类型执行相同的代码
2.泛型中的类型在使用时指定，不需要强制类型转换

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。

public class NormalGeneric<T> {
    private T data;

    public NormalGeneric() {
    }
    
    public T getData() {
        return data;
    }
}

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

    public NormalGeneric2() {
    }
    
    public T getData() {
        return data;
    }
}

泛型接口与泛型类的定义基本相同。

public interface Genertor<T> {
    public T next();
}

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 ImplGenertor<T> implements Genertor<T> {
    @Override
    public T next() {
        return null;
    }
}

在new出类的实例时，需要指定具体类型：

public static void main(String[] args) {
        ImplGenertor<String> implGenertor = new ImplGenertor<>();
    }

2、传入泛型实参

public class ImplGenertor2 implements Genertor<String> {
    @Override
    public String next() {
        return null;
    }
}

在new出类的实例时，和普通的类没区别。

泛型方法

public class GenericMethod {
    //<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(1,2);
        System.out.println(genericMethod.genericMethod("dd","dd","aa"));
    }
}

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，但这并不是一个泛型方法
    //这只是类中的一个普通成员方法，只不过他的返回值是在声明泛型类中已经声明过的泛型
    //所以这个方法中才可以继续使用T这个泛型
    public T getKey() {
        return 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，表明这是一个泛型方法，并且声明了一个泛型T
     *这个T可以出现在泛型方法的任意位置
     *泛型的数量也可以是多个
     * 如：public <T,K> K showKeyName(Generic<T> tGeneric){
     *    ...
     *    }
     */
     public <T> T showKeyName(Generic<T> tGeneric){

        //这个例子只是为了说明泛型方法的特性
        T key = tGeneric.getKey();
        return key;
    }

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。

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

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

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

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。

image.png

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

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
Restrict<Double> restrict = new Restrict<>();
Restrict<String> restrictString = new Restrict<>();
System.out.println(restrict.getClass()==restrictString.getClass());

泛型类的静态上下文中类型变量失效

//静态域或者静态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> [] restricts; //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
    private T data;
    public Restrict() {
        this.data = new T();
    }

不能捕获泛型类的实例

 //泛型类不能exrends Exception/Throwable
   private class Problem<T> extends Exception{
   }
   //不能捕获泛型类对象
   public <T extends Throwable> void dowork(T t){
        try {

        }catch (T e){
            
        }
   }

但是这样可以：

public <T extends Throwable> void dowork(T t) throws T{
        try {

        }catch (Throwable throwable){
            throw throwable;
        }
    }

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

image.png

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
public class ExtendPair<T> extends Pair<T> {
}

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

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

public class GenericType<T> {}

现在我们有继承关系的类

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

则会产生这种情况：

 public static void use(){
        GenericType<Fruit> a = new GenericType<>();
        GenericType<Orange> b = new GenericType<>();
        print(a);
        //print(b); //这样不允许
    }

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 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

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。

？ extends X
表示传递给方法的参数，必须是X的子类（包括X本身）

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

    public static void use2(){
        GenericType<Fruit> a = new GenericType<>();
        GenericType<Orange> b = new GenericType<>();
        print2(a);
        print2(b);
    }

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;
    }
}

GenericType<? extends Fruit> c=new GenericType<>();
        Apple apple = new Apple();
        Fruit fruit = new Fruit();

        //这样不允许
        //c.setData(apple);
        //c.setData(fruit);

get方法则没问题，会返回一个Fruit类型的值。

Fruit data = c.getData();

为何？
道理很简单，？ 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。
？ super X
表示传递给方法的参数，必须是X的超类（包括X本身）

public static void printSuper(GenericType<? super Apple> p){
        System.out.println(p.getData());
    }

    public static void useSuper(){
        GenericType<Fruit> fruitGenericType = new GenericType<>();
        GenericType<Apple> appleGenericType = new GenericType<>();
        GenericType<Hongfushi> honefushiGenericType = new GenericType<>();
        GenericType<Orange> orangeGenericType = new GenericType<>();

        printSuper(fruitGenericType);
        printSuper(appleGenericType);
        //这两个不允许
        printSuper(honefushiGenericType);
        printSuper(orangeGenericType);
    }

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;
    }
}

GenericType<? super Apple> x = new GenericType<>();
//这样不允许        
x.setData(new Fruit());
Object data = x.getData();

get方法只会返回一个Object类型的值。

为何？
？ 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。

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；

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

image.png

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。