00、故事的起源
“二哥，要不我上大學的時候也學習編程吧？”有一天，三妹突發奇想地問我。
“你確定要做一名程序媛嗎？”
“我覺得女生做程序員，有着天大的優勢，尤其是我這種長相甜美的。”三妹開始認真了起來。
“好像是啊，遇到女生提問，我好像一直蠻熱情的。”
“二哥，你不是愛好寫作嘛，還是一個 Java 程序員，不妨寫個專欄，名字就叫《教妹學 Java》。我高考完就開始跟着你學習編程，還能省下一筆培訓費。”三妹看起來已經替我籌划好了呀。
“真的很服氣你們零零后，蠻有想法的。剛好我最近在寫 Java 系列的專欄，不妨試一試！”
PS：親愛的讀者朋友們，我們今天就從晦澀難懂的“泛型”開始吧！（子標題是三妹提出來的，內容由二哥我來回答）
01、二哥，為什么要設計泛型啊？
三妹啊，聽哥慢慢給你講啊。
Java 在 5.0 時增加了泛型機制，據說專家們為此花費了 5 年左右的時間（聽起來很不容易）。有了泛型之后，尤其是對集合類的使用，就變得更規范了。
看下面這段簡單的代碼。
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("沉默王二");
String str = list.get(0);
但在沒有泛型之前該怎么辦呢？
首先，我們需要使用 Object 數組來設計 Arraylist 類。
class Arraylist {
private Object[] objs;
private int i = 0;
public void add(Object obj) {
objs[i++] = obj;
}
public Object get(int i) {
return objs[i];
}
}
然后，我們向 Arraylist 中存取數據。
Arraylist list = new Arraylist();
list.add("沉默王二");
list.add(new Date());
String str = (String)list.get(0);
你有沒有發現兩個問題：
- Arraylist 可以存放任何類型的數據（既可以存字符串，也可以混入日期），因為所有類都繼承自 Object 類。
- 從 Arraylist 取出數據的時候需要強制類型轉換，因為編譯器並不能確定你取的是字符串還是日期。
對比一下，你就能明顯地感受到泛型的優秀之處：使用類型參數解決了元素的不確定性——參數類型為 String 的集合中是不允許存放其他類型元素的，取出數據的時候也不需要強制類型轉換了。
02、二哥，怎么設計泛型啊？
三妹啊，你一個小白只要會用泛型就行了，還想設計泛型啊？！不過，既然你想了解，那么哥義不容辭。
首先，我們來按照泛型的標准重新設計一下 Arraylist 類。
class Arraylist<E> {
private Object[] elementData;
private int size = 0;
public Arraylist(int initialCapacity) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
public boolean add(E e) {
elementData[size++] = e;
return true;
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
}
一個泛型類就是具有一個或多個類型變量的類。Arraylist 類引入的類型變量為 E（Element，元素的首字母），使用尖括號 <> 括起來，放在類名的后面。
然后，我們可以用具體的類型（比如字符串）替換類型變量來實例化泛型類。
Arraylist<String> list = new Arraylist<String>();
list.add("沉默王三");
String str = list.get(0);
Date 類型也可以的。
Arraylist<Date> list = new Arraylist<Date>();
list.add(new Date());
Date date = list.get(0);
其次，我們還可以在一個非泛型的類（或者泛型類）中定義泛型方法。
class Arraylist<E> {
public <T> T[] toArray(T[] a) {
return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
}
}
不過，說實話，泛型方法的定義看起來略顯晦澀。來一副圖吧（注意：方法返回類型和方法參數類型至少需要一個）。
現在，我們來調用一下泛型方法。
Arraylist<String> list = new Arraylist<>(4);
list.add("沉");
list.add("默");
list.add("王");
list.add("二");
String [] strs = new String [4];
strs = list.toArray(strs);
for (String str : strs) {
System.out.println(str);
}
最后，我們再來說說泛型變量的限定符 extends。在解釋這個限定符之前，我們假設有三個類，它們之間的定義是這樣的。
class Wanglaoer {
public String toString() {
return "王老二";
}
}
class Wanger extends Wanglaoer{
public String toString() {
return "王二";
}
}
class Wangxiaoer extends Wanger{
public String toString() {
return "王小二";
}
}
我們使用限定符 extends 來重新設計一下 Arraylist 類。
class Arraylist<E extends Wanger> {
}
當我們向 Arraylist 中添加 Wanglaoer 元素的時候，編譯器會提示錯誤：Arraylist 只允許添加 Wanger 及其子類 Wangxiaoer 對象，不允許添加其父類 Wanglaoer。
Arraylist<Wanger> list = new Arraylist<>(3);
list.add(new Wanger());
list.add(new Wanglaoer());
// The method add(Wanger) in the type Arraylist<Wanger> is not applicable for the arguments
// (Wanglaoer)
list.add(new Wangxiaoer());
也就是說，限定符 extends 可以縮小泛型的類型范圍。
03、二哥，聽說虛擬機沒有泛型？
三妹，你功課做得可以啊，連虛擬機都知道了啊。哥可以肯定地回答你，虛擬機是沒有泛型的。
啰嗦一句哈。我們編寫的 Java 代碼（也就是源碼，后綴為 .java 的文件）是不能夠被操作系統直接識別的，需要先編譯，生成 .class 文件（也就是字節碼文件）。然后 Java 虛擬機（JVM）會充當一個翻譯官的角色，把字節碼翻譯給操作系統能聽得懂的語言，告訴它該干嘛。
怎么確定虛擬機沒有泛型呢？我們需要把泛型類的字節碼進行反編譯——強烈推薦超神反編譯工具 Jad ！
現在，在命令行中敲以下代碼吧（反編譯 Arraylist 的字節碼文件 Arraylist.class）。
jad Arraylist.class
命令執行完后，會生成一個 Arraylist.jad 的文件，用文本編輯工具打開后的結果如下。
// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3)
// Source File Name: Arraylist.java
package com.cmower.java_demo.fanxing;
import java.util.Arrays;
class Arraylist
{
public Arraylist(int initialCapacity)
{
size = 0;
elementData = new Object[initialCapacity];
}
public boolean add(Object e)
{
elementData[size++] = e;
return true;
}
Object elementData(int index)
{
return elementData[index];
}
private Object elementData[];
private int size;
}
類型變量 <E> 消失了，取而代之的是 Object ！
既然如此，那如果泛型類使用了限定符 extends，結果會怎么樣呢？我們先來看看 Arraylist2 的源碼。
class Arraylist2<E extends Wanger> {
private Object[] elementData;
private int size = 0;
public Arraylist2(int initialCapacity) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
public boolean add(E e) {
elementData[size++] = e;
return true;
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
}
字節碼文件 Arraylist2.class 使用 Jad 反編譯后的結果如下。
// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3)
// Source File Name: Arraylist2.java
package com.cmower.java_demo.fanxing;
// Referenced classes of package com.cmower.java_demo.fanxing:
// Wanger
class Arraylist2
{
public Arraylist2(int initialCapacity)
{
size = 0;
elementData = new Object[initialCapacity];
}
public boolean add(Wanger e)
{
elementData[size++] = e;
return true;
}
Wanger elementData(int index)
{
return (Wanger)elementData[index];
}
private Object elementData[];
private int size;
}
類型變量 <E extends Wanger> 不見了，E 被替換成了 Wanger。
通過以上兩個例子說明，Java 虛擬機會將泛型的類型變量擦除，並替換為限定類型（沒有限定的話，就用 Object）。
04、二哥，類型擦除會有什么問題嗎？
三妹啊，你還別說，類型擦除真的會有一些“問題”。
我們來看一下這段代碼。
public class Cmower {
public static void method(Arraylist<String> list) {
System.out.println("Arraylist<String> list");
}
public static void method(Arraylist<Date> list) {
System.out.println("Arraylist<Date> list");
}
}
在淺層的意識上，我們會想當然地認為 Arraylist<String> list 和 Arraylist<Date> list 是兩種不同的類型，因為 String 和 Date 是不同的類。
但由於類型擦除的原因，以上代碼是不會通過編譯的——編譯器會提示一個錯誤（這正是類型擦除引發的那些“問題”）：
Erasure of method method(Arraylist) is the same as another method in type
CmowerErasure of method method(Arraylist) is the same as another method in type
Cmower
大致的意思就是，這兩個方法的參數類型在擦除后是相同的。
也就是說，method(Arraylist<String> list) 和 method(Arraylist<Date> list) 是同一種參數類型的方法，不能同時存在。類型變量 String 和 Date 在擦除后會自動消失，method 方法的實際參數是 Arraylist list。
有句俗話叫做：“百聞不如一見”，但即使見到了也未必為真——泛型的擦除問題就可以很好地佐證這個觀點。
05、二哥，聽說泛型還有通配符？
三妹啊，哥突然覺得你很適合作一枚可愛的程序媛啊！你這預習的功課做得可真到家啊，連通配符都知道！
通配符使用英文的問號（?）來表示。在我們創建一個泛型對象時，可以使用關鍵字 extends 限定子類，也可以使用關鍵字 super 限定父類。
為了更好地解釋通配符，我們需要對 Arraylist 進行一些改進。
class Arraylist<E> {
private Object[] elementData;
private int size = 0;
public Arraylist(int initialCapacity) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
public boolean add(E e) {
elementData[size++] = e;
return true;
}
public E get(int index) {
return (E) elementData[index];
}
public int indexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
public String toString() {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (Object o : elementData) {
if (o != null) {
E e = (E)o;
sb.append(e.toString());
sb.append(',').append(' ');
}
}
return sb.toString();
}
public int size() {
return size;
}
public E set(int index, E element) {
E oldValue = (E) elementData[index];
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
}
1）新增 indexOf(Object o) 方法，判斷元素在 Arraylist 中的位置。注意參數為 Object 而不是泛型 E。
2）新增 contains(Object o) 方法，判斷元素是否在 Arraylist 中。注意參數為 Object 而不是泛型 E。
3）新增 toString() 方法，方便對 Arraylist 進行打印。
4）新增 set(int index, E element) 方法，方便對 Arraylist 元素的更改。
你知道，Arraylist<Wanger> list = new Arraylist<Wangxiaoer>(); 這樣的語句是無法通過編譯的，盡管 Wangxiaoer 是 Wanger 的子類。但如果我們確實需要這種 “向上轉型” 的關系，該怎么辦呢？這時候就需要通配符來發揮作用了。
利用 <? extends Wanger> 形式的通配符，可以實現泛型的向上轉型，來看例子。
Arraylist<? extends Wanger> list2 = new Arraylist<>(4);
list2.add(null);
// list2.add(new Wanger());
// list2.add(new Wangxiaoer());
Wanger w2 = list2.get(0);
// Wangxiaoer w3 = list2.get(1);
list2 的類型是 Arraylist<? extends Wanger>，翻譯一下就是，list2 是一個 Arraylist，其類型是 Wanger 及其子類。
注意，“關鍵”來了！list2 並不允許通過 add(E e) 方法向其添加 Wanger 或者 Wangxiaoer 的對象，唯一例外的是 null。為什么不能存呢？原因還有待探究（苦澀）。
那就奇了怪了，既然不讓存放元素，那要 Arraylist<? extends Wanger> 這樣的 list2 有什么用呢？
雖然不能通過 add(E e) 方法往 list2 中添加元素，但可以給它賦值。
Arraylist<Wanger> list = new Arraylist<>(4);
Wanger wanger = new Wanger();
list.add(wanger);
Wangxiaoer wangxiaoer = new Wangxiaoer();
list.add(wangxiaoer);
Arraylist<? extends Wanger> list2 = list;
Wanger w2 = list2.get(1);
System.out.println(w2);
System.out.println(list2.indexOf(wanger));
System.out.println(list2.contains(new Wangxiaoer()));
Arraylist<? extends Wanger> list2 = list; 語句把 list 的值賦予了 list2，此時 list2 == list。由於 list2 不允許往其添加其他元素，所以此時它是安全的——我們可以從容地對 list2 進行 get()、indexOf() 和 contains()。想一想，如果可以向 list2 添加元素的話，這 3 個方法反而變得不太安全，它們的值可能就會變。
利用 <? super Wanger> 形式的通配符，可以向 Arraylist 中存入父類是 Wanger 的元素，來看例子。
Arraylist<? super Wanger> list3 = new Arraylist<>(4);
list3.add(new Wanger());
list3.add(new Wangxiaoer());
// Wanger w3 = list3.get(0);
需要注意的是，無法從 Arraylist<? super Wanger> 這樣類型的 list3 中取出數據。為什么不能取呢？原因還有待探究（再次苦澀）。
雖然原因有待探究，但結論是明確的：<? extends T> 可以取數據，<? super T> 可以存數據。那么利用這一點，我們就可以實現數組的拷貝——<? extends T> 作為源（保證源不會發生變化），<? super T> 作為目標（可以保存值）。
public class Collections {
public static <T> void copy(Arraylist<? super T> dest, Arraylist<? extends T> src) {
for (int i = 0; i < src.size(); i++)
dest.set(i, src.get(i));
}
}
06、故事的未完待續
“二哥，你今天苦澀了啊！嘿嘿。竟然還有你需要探究的。”三妹開始調皮了起來。
“……”
“不要不好意思嘛，等三妹啥時候探究出來了原因，三妹給你講，好不好？”三妹越說越來勁了。
“……”
“二哥，你還在想泛型通配符的原因啊！那三妹先去預習下個知識點了啊，你思考完了，再給我講！”三妹看着我陷入了沉思，扔下這句話走了。
“……”