Java泛型详解
1 为什么需要泛型？
示例1：
/**
* @Description: 不使用泛型
* @CreateDate: 2022/3/18 3:08 下午
*/
public class NoGeneric {
private int addInt(int x, int y) {
return x + y;
}
private float addFloat(float x, float y) {
return x + y;
}
public static void main(String[] args) {
NoGeneric noGeneric = new NoGeneric();
System.out.println(noGeneric.addInt(1, 2));
System.out.println(noGeneric.addFloat(1f, 2f));
}
}
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float类型的求和, 如果还需要float类型的求和，需要重新在重载一个输入是float类型的add方法。每种类型的数据都需要重载一个方法，非常繁琐。如果使用泛型，就可以只定义一个方法。
示例2：
不使用泛型
private static void noGeneric() {
List list = new ArrayList<>();
list.add("x");
list.add("y");
list.add(1);//不使用泛型，List中可以添加任何类型的元素，但是获取数据的时候会报错
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
String str = (String) list.get(i);
System.out.println(str);
}
}
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，很容易出现类强转错误。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。
运行后会报类型转换异常：
使用泛型，编译器就会提示类型不匹配。
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，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，避免了可能出现的类型转换异常
2 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。
泛型类
/**
* @Description: 泛型类
* @CreateDate: 2022/3/18 3:51 下午
*/
public class NormalGenericClass<T> {
private T data;
public T getData() {
return data;
}
public void setData(T data) {
this.data = data;
}
public static void main(String[] args) {
NormalGenericClass<String> normalGenericClass = new NormalGenericClass<>();
normalGenericClass.setData("A");
System.out.println(normalGenericClass.getData());
NormalGenericClass normalGenericClass2 = new NormalGenericClass();
normalGenericClass2.setData(1);
normalGenericClass2.setData("xyz");
}
}
/**
* @Description: 泛型类
* @CreateDate: 2022/3/18 3:58 下午
*/
public class NormalGenericClass2<T, R> {
private T data;
private R result;
public NormalGenericClass2() {
}
public NormalGenericClass2(T data) {
this();
this.data = data;
}
public NormalGenericClass2(T data, R result) {
this.data = data;
this.result = result;
}
public T getData() {
return data;
}
public void setData(T data) {
this.data = data;
}
public R getResult() {
return result;
}
public void setResult(R result) {
this.result = result;
}
public static void main(String[] args) {
NormalGenericClass2<String, Integer> normalGenericClass = new NormalGenericClass2<>();
normalGenericClass.setData("A");
System.out.println(normalGenericClass.getData());
normalGenericClass.setResult(1);
System.out.println(normalGenericClass.getResult());
}
}
泛型接口
而实现泛型接口的类，有两种实现方法：
先写一个泛型接口：
public interface IGeneric<T> {
T next();
}
1、未传入泛型实参
public class GenericImpl<T> implements IGeneric<T> {
private T data;
public T getData() {
return data;
}
public void setData(T data) {
this.data = data;
}
@Override
public T next() {
return data;
}
}
使用的时候需要指定具体类型：
GenericImpl<String> genericImpl = new GenericImpl<>();
genericImpl.setData("A");
System.out.println(genericImpl.getData());
2、传入泛型实参
public class GenericImpl2 implements IGeneric<String> {
@Override
public String next() {
return "Hello World";
}
}
使用的时候和普通类一样：
GenericImpl2 genericImpl2 = new GenericImpl2();
System.out.println(genericImpl2.next());
3 泛型方法
public class GenericMethod {
/**
* 方法名前边的T表示返回类型
*/
public <T> T genericMethod(T... t) {
return t[t.length / 2];
}
public static void main(String[] args) {
GenericMethod genericMethod = new GenericMethod();
System.out.println(genericMethod.genericMethod("A", "B", "C"));
System.out.println(genericMethod.genericMethod(11, 22, 33));
}
}
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。
/**
* @Description: 泛型类中普通方法和泛型方法
* @CreateDate: 2022/3/18 4:57 下午
*/
public class Generic<T> {
private T t;
public Generic(T t) {
this.t = t;
}
/**
* 普通方法
* 虽然此方法中使用了泛型，但这只是一个普通方法，只是它的返回值是泛型类中已经声明的泛型。
*
* @return T
*/
public T getData1() {
return t;
}
/**
* 泛型方法
* 在public和返回类型之间的<T>必不可少。表明了这是一个泛型方法。
*/
public <T> T getData(T t) {
return t;
}
}
4 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。
这个方法需要确保传入的两个变量有compareTo方法，那么就需要将T限制为实现了Comparable的类，如下所示：
public static <T extends Comparable> T min(T a, T b) {
if (a.compareTo(b) > 0) {
return a;
} else {
return b;
}
}
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。
同时extends左右都允许有多个，如 K,T 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。
/**
* 限定一个接口
*/
public static <T extends Comparable> T min(T a, T b) {
if (a.compareTo(b) > 0) {
return a;
} else {
return b;
}
}
/**
* 限定多个接口
*/
public static <T extends Comparable & Serializable> T min2(T a, T b) {
if (a.compareTo(b) > 0) {
return a;
} else {
return b;
}
}
/**
* extends左侧也可以定义多个泛型
*/
public static <K, T extends Comparable & Serializable> T min3(T a, T b) {
if (a.compareTo(b) > 0) {
return a;
} else {
return b;
}
}
/**
* 如果限定类型中有类，类只能有一个，且必须放在第一个。比如该方法中的ArrayList类限定
*/
public static <K, T extends ArrayList & Comparable & Serializable> T min3(T a, T b) {
if (a.compareTo(b) > 0) {
return a;
} else {
return b;
}
}
5 泛型中的约束和局限性
首先定义泛型类：
public class GenericRestrict<T> {
//...
}
5.1 不能用基本类型实例化参数
//不能用基本数据类型实例化类型参数
//GenericRestrict<double> genericRestrict=new GenericRestrict<>();//不允许
GenericRestrict<Double> genericRestrict = new GenericRestrict<>();
5.2 运行时查询类型只适用于原始类型
//运行时查询类型只适用于原始类型
// if (genericRestrict instanceof GenericRestrict<Double>)//不允许
// if (genericRestrict instanceof GenericRestrict<T>) //不允许
GenericRestrict<String> stringGenericRestrict = new GenericRestrict<>();
System.out.println(genericRestrict.getClass() == stringGenericRestrict.getClass());
System.out.println(genericRestrict.getClass().getName());
System.out.println(stringGenericRestrict.getClass().getName());
运行结果：
true
site.exciter.learn.generic.GenericRestrict
site.exciter.learn.generic.GenericRestrict
5.3 泛型类的静态上下文中类型变量失效
//静态域或方法里不能引用类型变量
// private static T instance;//不允许
// private static T getInstance1(){//不允许
// return null;
// }
//静态方法 本身是泛型方法的话可以
private static <T> T getInstance2() {
return null;
}
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。
5.4 不能创建参数化类型的数组
//不能创建参数化类型的数组
GenericRestrict<Float>[] arrayGenericRestrict;//允许
// GenericRestrict<Float>[] restricts=new GenericRestrict<Float>[10];//不允许
5.5 不能实例化类型变量
private T data;
//不能实例化类型变量
// public GenericRestrict() {
// this.data = new T();
// }
5.6 不能捕获泛型类的实例
public class GenericExceptionRestrict {
//泛型类型不能extends 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){
//
// }
// }
//但可以这样写
public <T extends Throwable> void doWork(T t) throws T {
try {
} catch (Throwable e) {
throw t;
}
}
}
6 泛型类的继承规则
定义一个游戏类和它的子类LOL：
public class Game {
private String name;
private String type;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getType() {
return type;
}
public void setType(String type) {
this.type = type;
}
}
public class LOL extends Game{
}
定义一个泛型类：
public class Pair<T> {
private T one;
private T two;
//...
}
那么Pair<Game>和Pair<LOL> 有继承关系吗？
他们没有任何继承关系。
Game game = new LOL();
// Pair<Game> gamePair2=new Pair<LOL>();//不允许
但是泛型类可以继承或者扩展其他泛型类：
private static class ExtendPair<T> extends Pair<T> {
}
Pair<Game> gamePair3 = new ExtendPair<>();
完整代码：
public class Pair<T> {
private T one;
private T two;
public T getOne() {
return one;
}
public void setOne(T one) {
this.one = one;
}
public T getTwo() {
return two;
}
public void setTwo(T two) {
this.two = two;
}
private static <T> void set(Pair<Game> p) {
}
public static void main(String[] args) {
//Pair<Game>和Pair<LOL>没有任何继承关系
Pair<Game> gamePair = new Pair<>();
Pair<LOL> lolPair = new Pair<>();
Game game = new LOL();
// Pair<Game> gamePair2=new Pair<LOL>();//不允许
Pair<Game> gamePair3 = new ExtendPair<>();
set(gamePair);
// set(lolPair);//不允许
}
private static class ExtendPair<T> extends Pair<T> {
}
}
7 通配符的类型
定义一个泛型类：
public class GenericType<T> {
private T data;
public T getData() {
return data;
}
public void setData(T data) {
this.data = data;
}
}
定义三个对象，继承关系如下：
/**
* @Description: 宠物
* @CreateDate: 2022/3/21 11:11 上午
*/
public class Pet {
private String color;
public String getColor() {
return color;
}
public void setColor(String color) {
this.color = color;
}
}
/**
* @Description: 猫
* @CreateDate: 2022/3/21 11:12 上午
*/
public class Cat extends Dog{
}
/**
* @Description: 狗
* @CreateDate: 2022/3/21 11:12 上午
*/
public class Dog extends Pet{
}
/**
* @Description: 哈士奇
* @CreateDate: 2022/3/21 11:14 上午
*/
public class Husky extends Dog{
}
这时候会出现以下情况：
public static void print(GenericType<Pet> g) {
System.out.println(g.getData().getColor());
}
public static void method() {
GenericType<Pet> g1 = new GenericType<>();
print(g1);
GenericType<Cat> g2 = new GenericType<>();
// print(g2);//不允许
GenericType<Dog> g3 = new GenericType<>();
// print(g3);//不允许
GenericType<Husky> g4 = new GenericType<>();
// print(g4);//不允许
}
为了解决这种问题，出现了通配符。
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。
7.1 ？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 method2() {
GenericType<Pet> g1 = new GenericType<>();
print2(g1);
GenericType<Cat> g2 = new GenericType<>();
print2(g2);
GenericType<? extends Pet> g3 = new GenericType<>();
Pet pet = new Pet();
Cat cat = new Cat();
// g3.setData(pet);//不允许
// g3.setData(cat);//不允许
Pet p = g3.getData();
}
public static void print3(GenericType<? super Dog> g) {
System.out.println(g.getData());
}
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；get方法则没问题，会返回一个Pet类型的值。
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。
7.2 ？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 method3() {
GenericType<Pet> petGenericType = new GenericType<>();
GenericType<Dog> dogGenericType = new GenericType<>();
GenericType<Husky> huskyGenericType = new GenericType<>();
GenericType<Cat> catGenericType = new GenericType<>();
print3(petGenericType);
print3(dogGenericType);
// print3(huskyGenericType);//不允许
// print3(catGenericType);//不允许
GenericType<? super Dog> g = new GenericType<>();
// g.setData(new Pet());//不允许
g.setData(new Dog());
g.setData(new Husky());
Object o = g.getData();
}
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；get方法只会返回一个Object类型的值。
？ 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。
7.3 无限定通配符 ?
表示对类型没有什么限制，可以把？看成所有类型的父类。
//指定集合元素只能是T类型
List<T> list=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。
List<?> list2=new ArrayList<>();
8 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。
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。
作者：木水Code
链接：https://juejin.cn/post/7104835680559169550
来源：稀土掘金
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