Java程序员必备基础：泛型解析

Posted 2020-12-21

前言

整理一下Java泛型的相关知识，算是比较基础的，希望大家一起学习进步。

一、什么是Java泛型

Java 泛型（generics）是 JDK 5 中引入的一个新特性，其本质是参数化类型，解决不确定具体对象类型的问题。其所操作的数据类型被指定为一个参数（type parameter）这种参数类型可以用在类、接口和方法的创建中，分别称为泛型类、泛型接口、泛型方法。

泛型类

泛型类（generic class) 就是具有一个或多个类型变量的类。一个泛型类的简单例子如下：

//常见的如T、E、K、V等形式的参数常用于表示泛型，编译时无法知道它们类型，实例化时需要指定。
public

class

Pair

<
K
,
V
>{

private
 K first
;

private
  V second
;

public

Pair
(
K first
,
 V second
)

{

this
.
first 
=
 first
;

this
.
second 
=
 second
;

}

public
 K getFirst
()

{

return
 first
;

}

public

void
 setFirst
(
K first
)

{

this
.
first 
=
 first
;

}

public
 V getSecond
()

{

return
 second
;

}

public

void
 setSecond
(
V second
)

{

this
.
second 
=
 second
;

}

public

static

void
 main
(
String
[]
 args
)

{

// 此处K传入了Integer，V传入String类型

Pair
<
Integer
,
String
>
 pairInteger 
=

new

Pair
<>(
1
,

"第二"
);

System
.
out
.
println
(
"泛型测试，first is "

+
 pairInteger
.
getFirst
()

+

" ,second is "

+
 pairInteger
.
getSecond
());

}
}

运行结果如下：

泛型测试，
first 
is

1

,
second 
is

第二

泛型接口

泛型也可以应用于接口。

public

interface

Generator
<
T
>

{
    T 
next
();
}

实现类去实现这个接口的时候，可以指定泛型T的具体类型。

指定具体类型为Integer的实现类：

public

class

NumberGenerator

implements

Generator
<
Integer
>

{

@Override

public

Integer

next
()

{

return

new

Random
().
nextInt
();

}
}

指定具体类型为String的实现类：

public

class

StringGenerator

implements

Generator
<
String
>

{

@Override

public

String

next
()

{

return

"测试泛型接口"
;

}
}

泛型方法

具有一个或多个类型变量的方法，称之为泛型方法。

public

class

GenericMethods

{

public

<
T
>

void
 f
(
T x
){

System
.
out
.
println
(
x
.
getClass
().
getName
());

}

public

static

void
 main
(
String
[]
 args
)

{

GenericMethods
 gm 
=

new

GenericMethods
();
        gm
.
f
(
"字符串"
);
        gm
.
f
(
666
);

}
}

运行结果：

java
.
lang
.
String
java
.
lang
.
Integer

二、泛型的好处

Java语言引入泛型的好处是安全简单。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。

我们先来看看一个只能持有单个对象的类。

public

class

Holder1

{

private

Automobile
 a
;

public

Holder1
(
Automobile
 a
)

{

this
.
a 
=
 a
;

}

public

Automobile
 getA
()

{

return
 a
;

}
}

我们可以发现，这个类的重用性不怎样。要使它持有其他类型的任何对象，在jdk1.5泛型之前，可以把类型设置为Object，如下：

public

class

Holder2

{

private

Object
 a
;

public

Holder2
(
Object
 a
)

{

this
.
a 
=
 a
;

}

public

Object
 getA
()

{

return
 a
;

}

public

void
 setA
(
Object
 a
)

{

this
.
a 
=
 a
;

}

public

static

void
 main
(
String
[]
 args
)

{

Holder2
 holder2 
=

new

Holder2
(
new

Automobile
());

//强制转换

Automobile
 automobile 
=

(
Automobile
)
 holder2
.
getA
();
        holder2
.
setA
(
"测试泛型"
);

String
 s 
=

(
String
)
 holder2
.
getA
();

}
}

我们引入泛型，实现功能那个跟Holder2类一致的Holder3，如下：

public

class

Holder3
<
T
>

{

private
 T a
;

public
 T getA
()

{

return
 a
;

}

public

void
 setA
(
T a
)

{

this
.
a 
=
 a
;

}

public

Holder3
(
T a
)

{

this
.
a 
=
 a
;

}

public

static

void
 main
(
String
[]
 args
)

{

Holder3
<
Automobile
>
 holder3 
=

new

Holder3
<>(
new

Automobile
());
        holder3
.
setA
(
"测试泛型"
);

Automobile
 automobile 
=
 holder3
.
getA
();

}
}

因此，泛型的好处很明显了：

• 不用强制转换，因此代码比较简洁；（简洁性）
• 代替Object来表示其他类型对象，与ClassCastException异常划清界限。（安全性）
• 泛型使代码可读性增强。（可读性）

三、泛型通配符

我们定义泛型时，经常碰见T，E，K，V，？等通配符。本质上这些都是通配符，是编码时一种约定俗成的东西。当然，你换个A-Z中另一个字母表示没有关系，但是为了可读性，一般有以下定义：

• ？ 表示不确定的 java 类型
• T (type) 表示具体的一个java类型
• K V (key value) 分别代表java键值中的Key Value
• E (element) 代表Element

为什么需要引入通配符呢，我们先来看一个例子：

class

Fruit
{

public

int
 getWeigth
(){

return

0
;

}
}
//Apple是水果Fruit类的子类
class

Apple

extends

Fruit

{

public

int
 getWeigth
(){

return

5
;

}
}

public

class

GenericTest

{

//数组的传参

static

int
 sumWeigth
(
Fruit
[]
 fruits
)

{

int
 weight 
=

0
;

for

(
Fruit
 fruit 
:
 fruits
)

{
            weight 
+=
 fruit
.
getWeigth
();

}

return
 weight
;

}

static

int
 sumWeight1
(
List
<?

extends

Fruit
>
 fruits
)

{

int
 weight 
=

0
;

for

(
Fruit
 fruit 
:
 fruits
)

{
            weight 
+=
 fruit
.
getWeigth
();

}

return
 weight
;

}

static

int
 sumWeigth2
(
List
<
Fruit
>
 fruits
){

int
 weight 
=

0
;

for

(
Fruit
 fruit 
:
 fruits
)

{
            weight 
+=
 fruit
.
getWeigth
();

}

return
 weight
;

}

public

static

void
 main
(
String
[]
 args
)

{

Fruit
[]
 fruits 
=

new

Apple
[
10
];
        sumWeigth
(
fruits
);

List
<
Apple
>
 apples 
=

new

ArrayList
<>();
        sumWeight1
(
apples
);

//报错
        sumWeigth2
(
apples
);

}
}

我们可以发现，Fruit[]与Apple[]是兼容的。 List<Fruit>与 List<Apple>不兼容的，集合List是不能协变的，会报错，而 List<Fruit>与 List<?extendsFruits> 是OK的，这就是通配符的魅力所在。通配符通常分三类：

• 无边界通配符，如 <?>
• 上边界限定通配符,如 <?extendsE>;
• 下边界通配符，如 <?superE>;

?无边界通配符

无边界通配符，它的使用形式是一个单独的问号： List<?>，也就是没有任何限定。

看个例子：

public

class

GenericTest

{

public

static

void
 printList
(
List
<?>
 list
)

{

for

(
Object

object

:
 list
)

{

System
.
out
.
println
(
object
);

}

}

public

static

void
 main
(
String
[]
 args
)

{

List
<
String
>
 list1 
=

new

ArrayList
<>();
        list1
.
add
(
"A"
);
        list1
.
add
(
"B"
);

List
<
Integer
>
 list2 
=

new

ArrayList
<>();
        list2
.
add
(
100
);
        list2
.
add
(
666
);

//报错，List<?>不能添加任何类型

List
<?>
 list3 
=

new

ArrayList
<>();
        list3
.
add
(
666
);

}
}

通配符 (<?>)可以适配任何引用类型，看起来与原生类型等价，但与原生类型还是有区别，使用通配符则表明在使用泛型 。同时， List<?>list不可以添加任何类型，因为并不知道实际是哪种类型。但是List list因为持有的是Object类型对象，所以可以add任何类型的对象。

上边界限定通配符 < ? extends E>

使用 <?extendsFruit> 形式的通配符，就是上边界限定通配符。 extends关键字表示这个泛型中的参数必须是 E 或者 E 的子类，请看demo：

class
 apple 
extends

Fruit
{}
static

int
 sumWeight1
(
List
<?

extends

Fruit
>
 fruits
)

{

int
 weight 
=

0
;

for

(
Fruit
 fruit 
:
 fruits
)

{
        weight 
+=
 fruit
.
getWeigth
();

}

return
 weight
;
}
public

static

void
 main
(
String
[]
 args
)

{

List
<
Apple
>
 apples 
=

new

ArrayList
<>();
    sumWeight1
(
apples
);
}

但是，以下这段代码是不可行的：

static

int
 sumWeight1
(
List
<?

extends

Fruit
>
 fruits
){

//报错
   fruits
.
add
(
new

Fruit
());

//报错
   fruits
.
add
(
new

Apple
());
}

• 在 List<Fruit>里只能添加Fruit类对象及其子类对象（如Apple对象，Oragne对象），在 List<Apple>里只能添加Apple类和其子类对象。
• 我们知道 List<Fruit>、List<Apple>等都是List<？ extends Fruit>的子类型。假设一开始传参是 List<Fruit>list,两个添加没问题，那如果传来 List<Apple>list，添加就失败了，编译器为了保护自己，直接禁用添加功能了。
• 实际上，不能往 List<?extendsE>添加任意对象，除了null。

下边界限定通配符 < ? super E>

使用 <?superE>形式的通配符，就是下边界限定通配符。 super关键字表示这个泛型中的参数必须是所指定的类型E，或者是此类型的父类型，直至 Object。

public

class

GenericTest

{

private

static

<
T
>

void
 test
(
List
<?

super
 T
>
 dst
,

List
<
T
>
 src
){

for

(
T t 
:
 src
)

{
            dst
.
add
(
t
);

}

}

public

static

void
 main
(
String
[]
 args
)

{

List
<
Apple
>
 apples 
=

new

ArrayList
<>();

List
<
Fruit
>
 fruits 
=

new

ArrayList
<>();
        test
(
fruits
,
 apples
);

}
}

可以发现， List<?superE>添加是没有问题的，因为子类是可以指向父类的，它添加并不像 List<?extendsE>会出现安全性问题，所以可行。

四、泛型擦除

什么是类型擦除

什么是Java泛型擦除呢？ 先来看demo：

Class
 c1 
=

new

ArrayList
<
Integer
>().
getClass
();
Class
 c2 
=

new

ArrayList
<
String
>().
getClass
();
System
.
out
.
println
(
c1 
==
 c2
);
/* Output
true
*/

日常开发中， ArrayList<Integer> 和 ArrayList<String> 很容易被认为是不同的类型。但是这里输出结果是true，这是因为Java泛型是使用擦除实现的，不管是 ArrayList<Integer>() 还是 newArrayList<String>()，在编译生成的字节码中都不包含泛型中的类型参数，即都擦除成了ArrayList，也就是被擦除成“原生类型”，这就是泛型擦除。

类型擦除底层

Java泛型在编译期完成，它是依赖编译器实现的。其实，编译器主要做了这些工作：

• set()方法的类型检验
• get()处的类型转换，编译器插入了一个checkcast语句，

再看个例子：

public

class

GenericTest
<
T
>

{

private
 T t
;

public
 T 
get
()

{

return
 t
;

}

public

void

set
(
T t
)

{

this
.
t 
=
 t
;

}

public

static

void
 main
(
String
[]
 args
)

{

GenericTest
<
String
>
 test 
=

new

GenericTest
<
String
>();
        test
.
set
(
"jay@huaxiao"
);

String
 s 
=
 test
.
get
();

System
.
out
.
println
(
s
);

}
}
/* Output
jay@huaxiao
*/

javap -c GenericTest.class反编译GenericTest类可得

public

class

generic
.
GenericTest
<
T
>

{

public

generic
.
GenericTest
();

Code
:

0
:
 aload_0

1
:
 invokespecial 
#1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V

4
:

return

public
 T 
get
();

Code
:

0
:
 aload_0

1
:
 getfield      
#2                  // Field t:Ljava/lang/Object;

4
:
 areturn

public

void

set
(
T
);

Code
:

0
:
 aload_0

1
:
 aload_1

2
:
 putfield      
#2                  // Field t:Ljava/lang/Object;

5
:

return

public

static

void
 main
(
java
.
lang
.
String
[]);

Code
:

0
:

new

#3                  // class generic/GenericTest

3
:
 dup

4
:
 invokespecial 
#4                  // Method "<init>":()V

7
:
 astore_1

8
:
 aload_1

9
:
 ldc           
#5                  // String jay@huaxiao

11
:
 invokevirtual 
#6                  // Method set:(Ljava/lang/Object;)V

14
:
 aload_1

15
:
 invokevirtual 
#7                  // Method get:()Ljava/lang/Object;

18
:
 checkcast     
#8                  // class java/lang/String

21
:
 astore_2

22
:
 getstatic     
#9                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;

25
:
 aload_2

26
:
 invokevirtual 
#10                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

29
:

return
}

• 看第11，set进去的是原始类型Object（#6）；
• 看第15，get方法获得也是Object类型（#7），说明类型被擦出了。
• 再看第18，它做了一个checkcast操作，是一个String类型，强转。

  五、泛型的限制与局限

使用Java泛型需要考虑以下一些约束与限制，其实几乎都跟泛型擦除有关。

不能用基本类型实例化类型化参数

不能用类型参数代替基本类型。因此， 没有 Pair<double>, 只 有 Pair<Double>。 当然, 其原因是类型擦除。擦除之后， Pair 类含有 Object 类型的域， 而 Object 不能存储 double值。

运行时类型查询只适用于原始类型

如，getClass()方法等只返回原始类型，因为JVM根本就不知道泛型这回事，它只知道原始类型。

if
(
a 
instanceof

Pair
<
String
>)

//ERROR,仅测试了a是否是任意类型的一个Pair，会看到编译器ERROR警告

if
(
a 
instanceof

Pair
<
T
>)

//ERROR

Pair
<
String
>
 p 
=

(
Pair
<
String
>)
 a
;
//WARNING,仅测试a是否是一个Pair

Pair
<
String
>
 stringPair 
=

...;
Pair
<
Employee
>
 employeePair 
=

...;
if
(
stringPair
.
getClass
()

==
 employeePair
.
getClass
())

//会得到true，因为两次调用getClass都将返回Pair.class

不能创建参数化类型的数组

不能实例化参数化类型的数组， 例如：

Pair
<
String
>[]
 table 
=

new

Pair
<
String
>[
10
];

// Error

不能实例化类型变量

不能使用像 new T(...)，newT[...] 或 T.class 这样的表达式中的类型变量。例如， 下面的 Pair<T> 构造器就是非法的：

public

Pair
()

{
 first 
=

new
 T
();
 second 
=

new
 T
();

}

// Error 

使用泛型接口时，需要避免重复实现同一个接口

interface

Swim
<
T
>

{}

class

Duck

implements

Swim
<
Duck
>

{}

class

UglyDuck

extends

Duck

implements

Swim
<
UglyDuck
>

{}

可以消除对受查异常的检查

@SuppressWamings
(
"unchecked"
)

public

static

<
T 
extends

Throwable
〉
void
 throwAs
(
Throwable
 e
)

throws
 T 
{

throw

(
T
)
 e
;

}

定义API返回报文时，尽量使用泛型；

public

class

Response
<
T
>

extends

BaseResponse

{

private

static

final

long
 serialVersionUID 
=

-
xxx
;

private
 T data
;

private

String
 code
;

public

Response
()

{

}

public
 T getData
()

{

return

this
.
data
;

}

public

void
 setData
(
T data
,
String
 code 
)

{

this
.
data 
=
 data
;

this
.
code 
=
 code
;

}
}

六、Java泛型常见面试题

Java泛型常见几道面试题

• Java中的泛型是什么 ? 使用泛型的好处是什么?（第一，第二小节可答）
• Java的泛型是如何工作的 ? 什么是类型擦除 ? （第四小节可答）
• 什么是泛型中的限定通配符和非限定通配符 ? （第三小节可答）
• List和List 之间有什么区别 ?（第三小节可答）
• 你了解泛型通配符与上下界吗？（第三小节可答）

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