深入理解 Java 泛型

本文轉載自查看原文 2019-12-16 15:01 2831 JavaCore

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1. 為什么需要泛型

JDK5 引入了泛型機制。

為什么需要泛型呢？回答這個問題前，先讓我們來看一個示例。

public class NoGenericsDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList<>();
        list.add("abc");
        list.add(18);
        list.add(new double[] {1.0, 2.0});
        Object obj1 = list.get(0);
        Object obj2 = list.get(1);
        Object obj3 = list.get(2);
        System.out.println("obj1 = [" + obj1 + "]");
        System.out.println("obj2 = [" + obj2 + "]");
        System.out.println("obj3 = [" + obj3 + "]");

        int num1 = (int)list.get(0);
        int num2 = (int)list.get(1);
        int num3 = (int)list.get(2);
        System.out.println("num1 = [" + num1 + "]");
        System.out.println("num2 = [" + num2 + "]");
        System.out.println("num3 = [" + num3 + "]");
    }
}
// Output:
// obj1 = [abc]
// obj2 = [18]
// obj3 = [[D@47089e5f]
// Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: java.lang.String cannot be cast to java.lang.Integer
// at io.github.dunwu.javacore.generics.NoGenericsDemo.main(NoGenericsDemo.java:23)

示例說明：

在上面的示例中，List 容器沒有指定存儲數據類型，這種情況下，可以向 List 添加任意類型數據，編譯器不會做類型檢查，而是默默的將所有數據都轉為 Object。

假設，最初我們希望向 List 存儲的是整形數據，假設，某個家伙不小心存入了其他數據類型。當你試圖從容器中取整形數據時，由於 List 當成 Object 類型來存儲，你不得不使用類型強制轉換。在運行時，才會發現 List 中數據不存儲一致的問題，這就為程序運行帶來了很大的風險（無形傷害最為致命）。

而泛型的出現，解決了類型安全問題。

泛型具有以下優點：

編譯時的強類型檢查

泛型要求在聲明時指定實際數據類型，Java 編譯器在編譯時會對泛型代碼做強類型檢查，並在代碼違反類型安全時發出告警。早發現，早治理，把隱患扼殺於搖籃，在編譯時發現並修復錯誤所付出的代價遠比在運行時小。

避免了類型轉換

未使用泛型：

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

使用泛型：

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

泛型編程可以實現通用算法

通過使用泛型，程序員可以實現通用算法，這些算法可以處理不同類型的集合，可以自定義，並且類型安全且易於閱讀。

2. 泛型類型

泛型類型是被參數化的類或接口。

2.1. 泛型類

泛型類的語法形式：

class name<T1, T2, ..., Tn> { /* ... */ }

泛型類的聲明和非泛型類的聲明類似，除了在類名后面添加了類型參數聲明部分。由尖括號（<>）分隔的類型參數部分跟在類名后面。它指定類型參數（也稱為類型變量）T1，T2，...和 Tn。

一般將泛型中的類名稱為原型，而將 <> 指定的參數稱為類型參數。

未應用泛型的類

在泛型出現之前，如果一個類想持有一個可以為任意類型的數據，只能使用 Object 做類型轉換。示例如下：

public class Info {
	private Object value;

	public Object getValue() {
		return value;
	}

	public void setValue(Object value) {
		this.value = value;
	}
}

單類型參數的泛型類

public class Info<T> {
    private T value;

    public Info() { }

    public Info(T value) {
        this.value = value;
    }

    public T getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue(T value) {
        this.value = value;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Info{" + "value=" + value + '}';
    }
}

public class GenericsClassDemo01 {
    public static void main(String[] args) {
        Info<Integer> info = new Info<>();
        info.setValue(10);
        System.out.println(info.getValue());

        Info<String> info2 = new Info<>();
        info2.setValue("xyz");
        System.out.println(info2.getValue());
    }
}
// Output:
// 10
// xyz

在上面的例子中，在初始化一個泛型類時，使用 <> 指定了內部具體類型，在編譯時就會根據這個類型做強類型檢查。

實際上，不使用 <> 指定內部具體類型，語法上也是支持的（不推薦這么做），如下所示：

public static void main(String[] args) {
    Info info = new Info();
    info.setValue(10);
    System.out.println(info.getValue());
    info.setValue("abc");
    System.out.println(info.getValue());
}

示例說明：

上面的例子，不會產生編譯錯誤，也能正常運行。但這樣的調用就失去泛型類型的優勢。

多個類型參數的泛型類

public class MyMap<K,V> {
    private K key;
    private V value;

    public MyMap(K key, V value) {
        this.key = key;
        this.value = value;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "MyMap{" + "key=" + key + ", value=" + value + '}';
    }
}

public class GenericsClassDemo02 {
    public static void main(String[] args) {
        MyMap<Integer, String> map = new MyMap<>(1, "one");
        System.out.println(map);
    }
}
// Output:
// MyMap{key=1, value=one}

泛型類的類型嵌套

public class GenericsClassDemo03 {
    public static void main(String[] args) {
        Info<String> info = new Info("Hello");
        MyMap<Integer, Info<String>> map = new MyMap<>(1, info);
        System.out.println(map);
    }
}
// Output:
// MyMap{key=1, value=Info{value=Hello}}

2.2. 泛型接口

接口也可以聲明泛型。

泛型接口語法形式：

public interface Content<T> {
    T text();
}

泛型接口有兩種實現方式：

實現接口的子類明確聲明泛型類型



public class GenericsInterfaceDemo01 implements Content<Integer> {
    private int text;

    public GenericsInterfaceDemo01(int text) {
        this.text = text;
    }

    @Override
    public Integer text() { return text; }

    public static void main(String[] args) {
        GenericsInterfaceDemo01 demo = new GenericsInterfaceDemo01(10);
        System.out.print(demo.text());
    }
}
// Output:
// 10

實現接口的子類不明確聲明泛型類型

public class GenericsInterfaceDemo02<T> implements Content<T> {
    private T text;

    public GenericsInterfaceDemo02(T text) {
        this.text = text;
    }

    @Override
    public T text() { return text; }

    public static void main(String[] args) {
        GenericsInterfaceDemo02<String> gen = new GenericsInterfaceDemo02<>("ABC");
        System.out.print(gen.text());
    }
}
// Output:
// ABC

3. 泛型方法

泛型方法是引入其自己的類型參數的方法。泛型方法可以是普通方法、靜態方法以及構造方法。

泛型方法語法形式如下：

public <T> T func(T obj) {}

是否擁有泛型方法，與其所在的類是否是泛型沒有關系。

泛型方法的語法包括一個類型參數列表，在尖括號內，它出現在方法的返回類型之前。對於靜態泛型方法，類型參數部分必須出現在方法的返回類型之前。類型參數能被用來聲明返回值類型，並且能作為泛型方法得到的實際類型參數的占位符。

使用泛型方法的時候，通常不必指明類型參數，因為編譯器會為我們找出具體的類型。這稱為類型參數推斷（type argument inference）。類型推斷只對賦值操作有效，其他時候並不起作用。如果將一個泛型方法調用的結果作為參數，傳遞給另一個方法，這時編譯器並不會執行推斷。編譯器會認為：調用泛型方法后，其返回值被賦給一個 Object 類型的變量。

public class GenericsMethodDemo01 {
    public static <T> void printClass(T obj) {
        System.out.println(obj.getClass().toString());
    }

    public static void main(String[] args) {
        printClass("abc");
        printClass(10);
    }
}
// Output:
// class java.lang.String
// class java.lang.Integer

泛型方法中也可以使用可變參數列表

public class GenericVarargsMethodDemo {
    public static <T> List<T> makeList(T... args) {
        List<T> result = new ArrayList<T>();
        Collections.addAll(result, args);
        return result;
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<String> ls = makeList("A");
        System.out.println(ls);
        ls = makeList("A", "B", "C");
        System.out.println(ls);
    }
}
// Output:
// [A]
// [A, B, C]

4. 類型擦除

Java 語言引入泛型是為了在編譯時提供更嚴格的類型檢查，並支持泛型編程。不同於 C++ 的模板機制，Java 泛型是使用類型擦除來實現的，使用泛型時，任何具體的類型信息都被擦除了。

那么，類型擦除做了什么呢？它做了以下工作：

把泛型中的所有類型參數替換為 Object，如果指定類型邊界，則使用類型邊界來替換。因此，生成的字節碼僅包含普通的類，接口和方法。
擦除出現的類型聲明，即去掉 <> 的內容。比如 T get() 方法聲明就變成了 Object get() ；List<String> 就變成了 List。如有必要，插入類型轉換以保持類型安全。
生成橋接方法以保留擴展泛型類型中的多態性。類型擦除確保不為參數化類型創建新類；因此，泛型不會產生運行時開銷。

讓我們來看一個示例：

public class GenericsErasureTypeDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<Object> list1 = new ArrayList<Object>();
        List<String> list2 = new ArrayList<String>();
        System.out.println(list1.getClass());
        System.out.println(list2.getClass());
    }
}
// Output:
// class java.util.ArrayList
// class java.util.ArrayList

示例說明：

上面的例子中，雖然指定了不同的類型參數，但是 list1 和 list2 的類信息卻是一樣的。

這是因為：使用泛型時，任何具體的類型信息都被擦除了。這意味着：ArrayList<Object> 和 ArrayList<String> 在運行時，JVM 將它們視為同一類型。

Java 泛型的實現方式不太優雅，但這是因為泛型是在 JDK5 時引入的，為了兼容老代碼，必須在設計上做一定的折中。

5. 泛型和繼承

泛型不能用於顯式地引用運行時類型的操作之中，例如：轉型、instanceof 操作和 new 表達式。因為所有關於參數的類型信息都丟失了。當你在編寫泛型代碼時，必須時刻提醒自己，你只是看起來好像擁有有關參數的類型信息而已。

正是由於泛型時基於類型擦除實現的，所以，泛型類型無法向上轉型。

向上轉型是指用子類實例去初始化父類，這是面向對象中多態的重要表現。

Integer 繼承了 Object；ArrayList 繼承了 List；但是 List<Interger> 卻並非繼承了 List<Object>。

這是因為，泛型類並沒有自己獨有的 Class 類對象。比如：並不存在 List<Object>.class 或是 List<Interger>.class，Java 編譯器會將二者都視為 List.class。

List<Integer> list = new ArrayList<>();
List<Object> list2 = list; // Erorr

6. 類型邊界

有時您可能希望限制可在參數化類型中用作類型參數的類型。類型邊界可以對泛型的類型參數設置限制條件。例如，對數字進行操作的方法可能只想接受 Number 或其子類的實例。

要聲明有界類型參數，請列出類型參數的名稱，然后是 extends 關鍵字，后跟其限制類或接口。

類型邊界的語法形式如下：

<T extends XXX>

示例：

public class GenericsExtendsDemo01 {
    static <T extends Comparable<T>> T max(T x, T y, T z) {
        T max = x; // 假設x是初始最大值
        if (y.compareTo(max) > 0) {
            max = y; //y 更大
        }
        if (z.compareTo(max) > 0) {
            max = z; // 現在 z 更大
        }
        return max; // 返回最大對象
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(max(3, 4, 5));
        System.out.println(max(6.6, 8.8, 7.7));
        System.out.println(max("pear", "apple", "orange"));
    }
}
// Output:
// 5
// 8.8
// pear

示例說明：

上面的示例聲明了一個泛型方法，類型參數 T extends Comparable<T> 表明傳入方法中的類型必須實現了 Comparable 接口。

類型邊界可以設置多個，語法形式如下：

<T extends B1 & B2 & B3>

🔔 注意：extends 關鍵字后面的第一個類型參數可以是類或接口，其他類型參數只能是接口。

示例：

public class GenericsExtendsDemo02 {
    static class A { /* ... */ }
    interface B { /* ... */ }
    interface C { /* ... */ }
    static class D1 <T extends A & B & C> { /* ... */ }
    static class D2 <T extends B & A & C> { /* ... */ } // 編譯報錯
    static class E extends A implements B, C { /* ... */ }

    public static void main(String[] args) {
        D1<E> demo1 = new D1<>();
        System.out.println(demo1.getClass().toString());
        D1<String> demo2 = new D1<>(); // 編譯報錯
    }
}

7. 類型通配符

類型通配符一般是使用 ? 代替具體的類型參數。例如 List<?> 在邏輯上是 List<String> ，List<Integer> 等所有 List<具體類型實參> 的父類。

7.1. 上界通配符

可以使用上界通配符來縮小類型參數的類型范圍。

它的語法形式為：<? extends Number>

public class GenericsUpperBoundedWildcardDemo {
    public static double sumOfList(List<? extends Number> list) {
        double s = 0.0;
        for (Number n : list) {
            s += n.doubleValue();
        }
        return s;
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> li = Arrays.asList(1, 2, 3);
        System.out.println("sum = " + sumOfList(li));
    }
}
// Output:
// sum = 6.0

7.2. 下界通配符

下界通配符將未知類型限制為該類型的特定類型或超類類型。

🔔 注意：上界通配符和下界通配符不能同時使用。

它的語法形式為：<? super Number>

public class GenericsLowerBoundedWildcardDemo {
    public static void addNumbers(List<? super Integer> list) {
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            list.add(i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        addNumbers(list);
        System.out.println(Arrays.deepToString(list.toArray()));
    }
}
// Output:
// [1, 2, 3, 4, 5]

7.3. 無界通配符

無界通配符有兩種應用場景：

可以使用 Object 類中提供的功能來實現的方法。
使用不依賴於類型參數的泛型類中的方法。

語法形式：<?>

public class GenericsUnboundedWildcardDemo {
    public static void printList(List<?> list) {
        for (Object elem : list) {
            System.out.print(elem + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> li = Arrays.asList(1, 2, 3);
        List<String> ls = Arrays.asList("one", "two", "three");
        printList(li);
        printList(ls);
    }
}
// Output:
// 1 2 3
// one two three

7.4. 通配符和向上轉型

前面，我們提到：泛型不能向上轉型。但是，我們可以通過使用通配符來向上轉型。

public class GenericsWildcardDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> intList = new ArrayList<>();
        List<Number> numList = intList;  // Error

        List<? extends Integer> intList2 = new ArrayList<>();
        List<? extends Number> numList2 = intList2;  // OK
    }
}

擴展閱讀：Oracle 泛型文檔

8. 泛型的約束

泛型類型的類型參數不能是值類型

Pair<int, char> p = new Pair<>(8, 'a');  // 編譯錯誤

不能創建類型參數的實例

public static <E> void append(List<E> list) {
    E elem = new E();  // 編譯錯誤
    list.add(elem);
}

不能聲明類型為類型參數的靜態成員

public class MobileDevice<T> {
    private static T os; // error

    // ...
}

類型參數不能使用類型轉換或 instanceof

public static <E> void rtti(List<E> list) {
    if (list instanceof ArrayList<Integer>) {  // 編譯錯誤
        // ...
    }
}

List<Integer> li = new ArrayList<>();
List<Number>  ln = (List<Number>) li;  // 編譯錯誤

不能創建類型參數的數組

List<Integer>[] arrayOfLists = new List<Integer>[2];  // 編譯錯誤

不能創建、catch 或 throw 參數化類型對象

// Extends Throwable indirectly
class MathException<T> extends Exception { /* ... */ }    // 編譯錯誤

// Extends Throwable directly
class QueueFullException<T> extends Throwable { /* ... */ // 編譯錯誤

public static <T extends Exception, J> void execute(List<J> jobs) {
    try {
        for (J job : jobs)
            // ...
    } catch (T e) {   // compile-time error
        // ...
    }
}

僅僅是泛型類相同，而類型參數不同的方法不能重載

public class Example {
    public void print(Set<String> strSet) { }
    public void print(Set<Integer> intSet) { } // 編譯錯誤
}

9. 泛型最佳實踐

9.1. 泛型命名

泛型一些約定俗成的命名：

E - Element
K - Key
N - Number
T - Type
V - Value
S,U,V etc. - 2nd, 3rd, 4th types

9.2. 使用泛型的建議

消除類型檢查告警
List 優先於數組
優先考慮使用泛型來提高代碼通用性
優先考慮泛型方法來限定泛型的范圍
利用有限制通配符來提升 API 的靈活性
優先考慮類型安全的異構容器

10. 小結

11. 參考資料

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