泛型 (上) - 基本概念和原理 / 计算机程序的思维逻辑

偏执的太偏执、 2022-06-08 23:10 94阅读 0赞

(35) 泛型 (上) - 基本概念和原理 / 计算机程序的思维逻辑

原创 *2016-09-01 老马* [ 老马说编程][Link 1]  老马说编程

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之前章节中我们多次提到过泛型这个概念，从本节开始，我们就来详细讨论Java中的泛型，虽然泛型的基本思维和概念是比较简单的，但它有一些非常令人费解的语法、细节、以及局限性，内容比较多。

所以我们分为三节，逐步来讨论，本节我们主要来介绍泛型的基本概念和原理，下节我们重点讨论令人费解的通配符，最后一节，我们讨论一些细节和泛型的局限性。

后续章节我们会介绍各种容器类，容器类可以说是日常程序开发中天天用到的，没有容器类，难以想象能开发什么真正有用的程序。而容器类是基于泛型的，不理解泛型，我们就难以深刻理解容器类。那，泛型到底是什么呢？

**什么是泛型？**

之前我们一直强调数据类型的概念，Java有8种基本类型，可以定义类，类相当于自定义数据类型，类之间还可以有组合和继承。不过，在[第19节][19]，我们介绍了接口，其中提到，其实，很多时候，我们关心的不是类型，而是能力，针对接口和能力编程，不仅可以复用代码，还可以降低耦合，提高灵活性。

泛型将接口的概念进一步延伸，"泛型"字面意思就是广泛的类型，类、接口和方法代码可以应用于非常广泛的类型，代码与它们能够操作的数据类型不再绑定在一起，同一套代码，可以用于多种数据类型，这样，不仅可以复用代码，降低耦合，同时，还可以提高代码的可读性和安全性。

这么说可能比较抽象，接下来，我们通过一些例子逐步来说明。在Java中，类、接口、方法都可以是泛型的，我们先来看泛型类。

**一个简单泛型类**

我们通过一个简单的例子来说明泛型类的基本概念、实现原理和好处。

**基本概念**

我们直接来看代码：

> public class Pair<T> \{  
>   
>     T first;  
>     T second;  
>       
>     public Pair(T first, T second)\{  
>         this.first = first;  
>         this.second = second;  
>     \}  
>       
>     public T getFirst() \{  
>         return first;  
>     \}  
>       
>     public T getSecond() \{  
>         return second;  
>     \}  
> \}  
>

Pair就是一个泛型类，与普通类的区别，体现在：

1.  类名后面多了一个<T>
2.  first和second的类型都是T

T是什么呢？T表示类型参数，泛型就是类型参数化，处理的数据类型不是固定的，而是可以作为参数传入。

怎么用这个泛型类，并传递类型参数呢？看代码：

> Pair<Integer> minmax = new Pair<Integer>(1,100);  
> Integer min = minmax.getFirst();  
> Integer max = minmax.getSecond();

Pair<Integer>，这里Integer就是传递的实际类型参数。

Pair类的代码和它处理的数据类型不是绑定的，具体类型可以变化。上面是Integer，也可以是String，比如：

> Pair<String> kv = new Pair<String>("name","老马");  
>

类型参数可以有多个，Pair类中的first和second可以是不同的类型，多个类型之间以逗号分隔，来看改进后的Pair类定义：

> public class Pair<U, V> \{  
>   
>     U first;  
>     V second;  
>       
>     public Pair(U first, V second)\{  
>         this.first = first;  
>         this.second = second;  
>     \}  
>       
>     public U getFirst() \{  
>         return first;  
>     \}  
>   
>     public V getSecond() \{  
>         return second;  
>     \}  
> \}  
>

可以这样使用：

> Pair<String,Integer> pair = new Pair<String,Integer>("老马",100);  
>

<String,Integer>既出现在了声明变量时，也出现在了new后面，比较啰嗦，Java支持省略后面的类型参数，可以这样：

> Pair<String,Integer> pair = new Pair<>("老马",100);

**基本原理**

泛型类型参数到底是什么呢？为什么一定要定义类型参数呢？定义普通类，直接使用Object不就行了吗？比如，Pair类可以写为：

> public class Pair \{  
>   
>     Object first;  
>     Object second;  
>       
>     public Pair(Object first, Object second)\{  
>         this.first = first;  
>         this.second = second;  
>     \}  
>       
>     public Object getFirst() \{  
>         return first;  
>     \}  
>       
>     public Object getSecond() \{  
>         return second;  
>     \}  
> \}      
>

使用Pair的代码可以为：

> Pair minmax = new Pair(1,100);  
> Integer min = (Integer)minmax.getFirst();  
> Integer max = (Integer)minmax.getSecond();  
>   
> Pair kv = new Pair("name","老马");  
> String key = (String)kv.getFirst();  
> String value = (String)kv.getSecond();  
>

这样是可以的。实际上，Java泛型的内部原理就是这样的。

我们知道，Java有Java编译器和Java虚拟机，编译器将Java源代码转换为.class文件，虚拟机加载并运行.class文件。对于泛型类，Java编译器会将泛型代码转换为普通的非泛型代码，就像上面的普通Pair类代码及其使用代码一样，将类型参数T擦除，替换为Object，插入必要的强制类型转换。Java虚拟机实际执行的时候，它是不知道泛型这回事的，它只知道普通的类及代码。

再强调一下，Java泛型是通过擦除实现的，类定义中的类型参数如T会被替换为Object，在程序运行过程中，不知道泛型的实际类型参数，比如Pair<Integer>，运行中只知道Pair，而不知道Integer，认识到这一点是非常重要的，它有助于我们理解Java泛型的很多限制。

Java为什么要这么设计呢？泛型是Java 1.5以后才支持的，这么设计是为了兼容性而不得已的一个选择。

**泛型的好处**

既然只使用普通类和Object就是可以的，而且泛型最后也转换为了普通类，那为什么还要用泛型呢？或者说，泛型到底有什么好处呢？

主要有两个好处：

*  更好的安全性
 *  更好的可读性

语言和程序设计的一个重要目标是将bug尽量消灭在摇篮里，能消灭在写代码的时候，就不要等到代码写完，程序运行的时候。

只使用Object，代码写错的时候，开发环境和编译器不能帮我们发现问题，看代码：

> Pair pair = new Pair("老马",1);  
> Integer id = (Integer)pair.getFirst();  
> String name = (String)pair.getSecond();

看出问题了吗？写代码时，不小心，类型弄错了，不过，代码编译时是没有任何问题的，但，运行时，程序抛出了类型转换异常ClassCastException。

如果使用泛型，则不可能犯这个错误，如果这么写代码：

> Pair<String,Integer> pair = new Pair<>("老马",1);  
> Integer id = pair.getFirst();  
> String name = pair.getSecond();

开发环境如Eclipse会提示你类型错误，即使没有好的开发环境，编译时，Java编译器也会提示你。这称之为类型安全，也就是说，通过使用泛型，开发环境和编译器能确保你不会用错类型，为你的程序多设置一道安全防护网。

使用泛型，还可以省去繁琐的强制类型转换，再加上明确的类型信息，代码可读性也会更好。

**容器类**

泛型类最常见的用途是作为容器类，所谓容器类，简单的说，就是容纳并管理多项数据的类。数组就是用来管理多项数据的，但数组有很多限制，比如说，长度固定，插入、删除操作效率比较低。计算机技术有一门课程叫数据结构，专门讨论管理数据的各种方式。

这些数据结构在Java中的实现主要就是Java中的各种容器类，甚至，Java泛型的引入主要也是为了更好的支持Java容器。后续章节我们会详细讨论主要的Java容器，本节我们先自己实现一个非常简单的Java容器，来解释泛型的一些概念。

我们来实现一个简单的动态数组容器，所谓动态数组，就是长度可变的数组，底层数组的长度当然是不可变的，但我们提供一个类，对这个类的使用者而言，好像就是一个长度可变的数组，Java容器中有一个对应的类ArrayList，本节我们来实现一个简化版。

来看代码：

> public class DynamicArray<E> \{  
>     private static final int DEFAULT\_CAPACITY = 10;  
>   
>     private int size;  
>     private Object\[\] elementData;  
>   
>     public DynamicArray() \{  
>         this.elementData = new Object\[DEFAULT\_CAPACITY\];  
>     \}  
>   
>     private void ensureCapacity(int minCapacity) \{  
>         int oldCapacity = elementData.length;  
>         if(oldCapacity>=minCapacity)\{  
>             return;  
>         \}  
>         int newCapacity = oldCapacity \* 2;  
>         if (newCapacity < minCapacity)  
>             newCapacity = minCapacity;  
>         elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);  
>     \}  
>   
>     public void add(E e) \{  
>         ensureCapacity(size + 1);  
>         elementData\[size++\] = e;  
>     \}  
>   
>     public E get(int index) \{  
>         return (E)elementData\[index\];  
>     \}  
>       
>     public int size() \{  
>         return size;  
>     \}
> 
>   
> 
> 
>     public E set(int index, E element) \{  
>         E oldValue = get(index);  
>         elementData\[index\] = element;  
>         return oldValue;  
>     \}  
> 
> 
> \}      
>

DynamicArray就是一个动态数组，内部代码与我们之前分析过的StringBuilder类似，通过ensureCapacity方法来根据需要扩展数组。作为一个容器类，它容纳的数据类型是作为参数传递过来的，比如说，存放Double类型：

> DynamicArray<Double> arr = new DynamicArray<Double>();  
> Random rnd = new Random();  
> int size = 1+rnd.nextInt(100);  
> for(int i=0; i<size; i++)\{  
>     arr.add(Math.random());  
> \}
> 
> Double d = arr.get(rnd.nextInt(size));

这就是一个简单的容器类，适用于各种数据类型，且类型安全。本节后面和后面两节还会以DynamicArray为例进行扩展，以解释泛型概念。

具体的类型还可以是一个泛型类，比如，可以这样写：

> DynamicArray<Pair<Integer,String>> arr = new DynamicArray<>()

arr表示一个动态数组，每个元素是Pair<Integer,String>类型。

**泛型方法**

除了泛型类，方法也可以是泛型的，而且，一个方法是不是泛型的，与它所在的类是不是泛型没有什么关系。

我们看个例子：

> public static  <T> int indexOf(T\[\] arr, T elm)\{  
>     for(int i=0; i<arr.length; i++)\{  
>         if(arr\[i\].equals(elm))\{  
>             return i;  
>         \}  
>     \}  
>     return -1;  
> \}  
>

这个方法就是一个泛型方法，类型参数为T，放在返回值前面，它可以这么调用：

> indexOf(new Integer\[\]\{1,3,5\}, 10)

也可以这么调用：

> indexOf(new String\[\]\{"hello","老马","编程"\}, "老马")  
>

indexOf表示一个算法，在给定数组中寻找某一个元素，这个算法的基本过程与具体数据类型没有什么关系，通过泛型，它就可以方便的应用于各种数据类型，且编译器保证类型安全。

与泛型类一样，类型参数可以有多个，多个以逗号分隔，比如：

> public static  <U,V> Pair<U,V> makePair(U first, V second)\{  
>     Pair<U,V> pair = new Pair<>(first, second);  
>     return pair;  
> \}  
>

与泛型类不同，调用方法时一般并不需要特意指定类型参数的实际类型是什么，比如调用makePair：

> makePair(1,"老马");

并不需要告诉编译器U的类型是Integer，V的类型是String，Java编译器可以自动推断出来。

**泛型接口**

接口也可以是泛型的，我们之前介绍过的Comparable和Comparator接口都是泛型的，它们的代码如下：

> public interface Comparable<T> \{  
>     public int compareTo(T o);  
> \}  
> public interface Comparator<T> \{  
>     int compare(T o1, T o2);  
>     boolean equals(Object obj);  
> \}

与前面一样，T是类型参数。实现接口时，应该指定具体的类型，比如，对Integer类，实现代码是：

> public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer>\{  
>     public int compareTo(Integer anotherInteger) \{  
>         return compare(this.value, anotherInteger.value);  
>     \}  
>     //...  
> \}

通过implements Comparable<Integer>，Integer实现了Comparable接口，指定了实际类型参数为Integer，表示Integer只能与Integer对象进行比较。

再看Comparator的一个例子，String类内部一个Comparator的接口实现为：

> private static class CaseInsensitiveComparator  
>         implements Comparator<String> \{  
>     public int compare(String s1, String s2) \{  
>         //....  
>     \}  
> \}

这里，指定了实际类型参数为String。

**类型参数的限定**

在之前的介绍中，无论是泛型类、泛型方法还是泛型接口，关于类型参数，我们都知之甚少，只能把它当做Object，但Java支持限定这个参数的一个上界，也就是说，参数必须为给定的上界类型或其子类型，这个限定是通过extends这个关键字来表示的。

这个上界可以是某个具体的类，或者某个具体的接口，也可以是其他的类型参数，我们逐个来看下其应用。

**上界为某个具体类**

比如说，上面的Pair类，可以定义一个子类NumberPair，限定两个类型参数必须为Number，代码如下：

> public class NumberPair<U extends Number, V extends Number> extends Pair<U, V> \{  
>   
>     public NumberPair(U first, V second) \{  
>         super(first, second);  
>     \}  
> \}     
>

限定类型后，就可以使用该类型的方法了，比如说，对于NumberPair类，first和second变量就可以当做Number进行处理了，比如可以定义一个求和方法，如下所示：

> public double sum()\{  
>     return getFirst().doubleValue()  
>             +getSecond().doubleValue();  
> \}  
>

可以这么用：

> NumberPair<Integer, Double> pair = new NumberPair<>(10, 12.34);  
> double sum = pair.sum();  
>

限定类型后，如果类型使用错误，编译器会提示。

指定边界后，类型擦除时就不会转换为Object了，而是会转换为它的边界类型，这也是容易理解的。

**上界为某个接口**

在泛型方法中，一种常见的场景是限定类型必须实现Comparable接口，我们来看代码：

> public static <T extends Comparable> T max(T\[\] arr)\{  
>     T max = arr\[0\];  
>     for(int i=1; i<arr.length; i++)\{  
>         if(arr\[i\].compareTo(max)>0)\{  
>             max = arr\[i\];  
>         \}  
>     \}  
>     return max;  
> \}  
>

max方法计算一个泛型数组中的最大值，计算最大值需要进行元素之间的比较，要求元素实现Comparable接口，所以给类型参数设置了一个上边界Comparable，T必须实现Comparable接口。

不过，直接这么写代码，Java中会给一个警告信息，因为Comparable是一个泛型接口，它也需要一个类型参数，所以完整的方法声明应该是：

> public static  <T extends Comparable<T>> T max(T\[\] arr)\{ 
> 
> //...  
> 
> 
> \}  
>

<T extends Comparable<T>>是一种令人费解的语法形式，这种形式称之为递归类型限制，可以这么解读，T表示一种数据类型，必须实现Comparable接口，且必须可以与相同类型的元素进行比较。

**上界为其他类型参数**

上面的限定都是指定了一个明确的类或接口，Java支持一个类型参数以另一个类型参数作为上界。为什么需要这个呢？

我们看个例子，给上面的DynamicArray类增加一个实例方法addAll，这个方法将参数容器中的所有元素都添加到当前容器里来，直觉上，代码可以这么写：

> public void addAll(DynamicArray<E> c) \{  
>     for(int i=0; i<c.size; i++)\{  
>         add(c.get(i));  
>     \}  
> \}  
>

但这么写有一些局限性，我们看使用它的代码：

> DynamicArray<Number> numbers = new DynamicArray<>();  
> DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();  
> ints.add(100);  
> ints.add(34);  
> numbers.addAll(ints);

numbers是一个Number类型的容器，ints是一个Integer类型的容器，我们希望将ints添加到numbers中，因为Integer是Number的子类，应该说，这是一个合理的需求和操作。

但，Java会在number.addAll(ints)这行代码上提示编译错误，提示，addAll需要的参数类型为DynamicArray<Number>，而传递过来的参数类型为DynamicArray<Integer>，不适用，Integer是Number的子类，怎么会不适用呢？

事实就是这样，确实不适用，而且是很有道理的，假设适用，我们看下会发生什么。

> DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();  
> //假设下面这行是合法的  
> DynamicArray<Number> numbers = ints;  
>   
> numbers.add(new Double(12.34));  
>

那最后一行就是合法的，这时，DynamicArray<Integer>中就会出现Double类型的值，而这，显然就破坏了Java泛型关于类型安全的保证。

我们强调一下，虽然Integer是Number的子类，但DynamicArray<Integer>并不是DynamicArray<Number>的子类，DynamicArray<Integer>的对象也不能赋值给DynamicArray<Number>的变量，这一点初看上去是违反直觉的，但这是事实，必须要理解这一点。

不过，我们的需求是合理的啊，将Integer添加到Number容器中，这没有问题啊。这个问题，可以通过类型限定，这样来解决：

> public  <T extends E> void addAll(DynamicArray<T> c) \{  
>     for(int i=0; i<c.size; i++)\{  
>         add(c.get(i));  
>     \}  
> \}  
>

E是DynamicArray的类型参数，T是addAll的类型参数，T的上界限定为E，这样，下面的代码就没有问题了：

> DynamicArray<Number> numbers = new DynamicArray<>();  
> DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();  
> ints.add(100);  
> ints.add(34);  
> numbers.addAll(ints);  
>

对于这个例子，这个写法有点啰嗦，下节我们会看到一种简化的方式。

**小结**

泛型是计算机程序中一种重要的思维方式，它将数据结构和算法与数据类型相分离，使得同一套数据结构和算法，能够应用于各种数据类型，而且还可以保证类型安全，提高可读性。在Java中，泛型广泛应用于各种容器类中，理解泛型是深刻理解容器的基础。

本节介绍了泛型的基本概念，包括泛型类、泛型方法和泛型接口，关于类型参数，我们介绍了多种上界限定，限定为某具体类、某具体接口、或其他类型参数。泛型类最常见的用途是容器类，我们实现了一个简单的容器类DynamicArray，以解释泛型概念。

在Java中，泛型是通过类型擦除来实现的，它是Java编译器的概念，Java虚拟机运行时对泛型基本一无所知，理解这一点是很重要的，它有助于我们理解Java泛型的很多局限性。

关于泛型，Java中有一个通配符的概念，语法非常令人费解，而且容易混淆，下一节，我们力图对它进行清晰的剖析。

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