Java泛型编程最全总结

忘是亡心i 2022-09-26 12:00 144阅读 0赞

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JAVA泛型编程笔记

——by书生

## 1介绍 ##

Java泛型编程是JDK1.5版本后引入的。泛型让编程人员能够使用类型抽象，通常用于集合里面。下面是一个不用泛型例子：

List myIntList=new LinkedList(); //1
    myIntList.add(newInteger(0)); //2
    Integer x=(Integer)myIntList.iterator().next(); //3

注意第3行代码，但这是让人很不爽的一点，因为程序员肯定知道自己存储在List里面的对象类型是Integer，但是在返回列表中元素时，还是必须强制转换类型，这是为什么呢？原因在于，编译器只能保证迭代器的next()方法返回的是Object类型的对象，为保证Integer变量的类型安全，所以必须强制转换。

这种转换不仅显得混乱，更可能导致类型转换异常ClassCastException，运行时异常往往让人难以检测到。保证列表中的元素为一个特定的数据类型，这样就可以取消类型转换，减少发生错误的机会， 这也是泛型设计的初衷。下面是一个使用了泛型的例子：

List<Integer> myIntList=newLinkedList<Integer>(); //1’
 myIntList.add(newInteger(0)); //2’
 Integerx=myIntList.iterator().next(); //3’

在第1行代码中指定List中存储的对象类型为Integer，这样在获取列表中的对象时，不必强制转换类型了。

## 2定义简单的泛型 ##

下面是一个引用自java.util包中的接口List和Iterator的定义，其中用到了泛型技术。

public interface List<E> {
 void add(E x);
 Iterator<E> iterator();
 }
 public interface Iterator<E> {
 E next();
 boolean hasNext();
 }

也许可以这样认为，List<Integer>表示List中的类型参数E会被替换成Integer。这跟原生类型没有什么区别，只是在接口后面加入了一个尖括号，尖括号里面是一个类型参数（定义时就是一个格式化的类型参数，在调用时会使用一个具体的类型来替换该类型）。

public interface IntegerList {
 void add(Integer x)
 Iterator<Integer> iterator();
 }

类型擦除指的是通过类型参数合并，将泛型类型实例关联到同一份字节码上。编译器只为泛型类型生成一份字节码，并将其实例关联到这份字节码上，因此泛型类型中的静态变量是所有实例共享的。此外，需要注意的是，一个static方法，无法访问泛型类的类型参数，因为类还没有实例化，所以，若static方法需要使用泛型能力，必须使其成为泛型方法。类型擦除的关键在于从泛型类型中清除类型参数的相关信息，并且再必要的时候添加类型检查和类型转换的方法。在使用泛型时，任何具体的类型都被擦除，唯一知道的是你在使用一个对象。比如：List<String>和List<Integer>在运行事实上是相同的类型。他们都被擦除成他们的原生类型，即List。因为编译的时候会有类型擦除，所以不能通过同一个泛型类的实例来区分方法，如下面的例子编译时会出错，因为类型擦除后，两个方法都是List类型的参数，因此并不能根据泛型类的类型来区分方法。

public class Erasure{
 public void test(List<String> ls){
 System.out.println("Sting");
 }
 public void test(List<Integer> li){
 System.out.println("Integer");
 }
 }

擦除在方法体中移除了类型信息，所以在运行时的问题就是边界：即对象进入和离开方法的地点，这正是编译器在编译期执行类型检查并插入转型代码的地点。泛型中的所有动作都发生在边界处：对传递进来的值进行额外的编译期检查，并插入对传递出去的值的转型。那么这就有个问题了，既然在编译的时候会在方法和类中擦除实际类型的信息，那么在返回对象时又是如何知道其具体类型的呢？如List<String>编译后会擦除掉String信息，那么在运行时通过迭代器返回List中的对象时，又是如何知道List中存储的是String类型对象呢？

## 3.泛型和子类型 ##

为了彻底理解泛型，这里看个例子：（Apple为Fruit的子类）

List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>(); //1
 List<Fruit> fruits = apples; //2

第1行代码显然是对的，但是第2行是否对呢？我们知道Fruit fruit = new Apple()，这样肯定是对的，即苹果肯定是水果，但是第2行在编译的时候会出错。这会让人比较纳闷的是一个苹果是水果，为什么一箱苹果就不是一箱水果了呢？可以这样考虑，我们假定第2行代码没有问题，那么我们可以使用语句fruits.add(new Strawberry())（Strawberry为Fruit的子类）在fruits中加入草莓了，但是这样的话，一个List中装入了各种不同类型的子类水果，这显然是不可以的，因为我们在取出List中的水果对象时，就分不清楚到底该转型为苹果还是草莓了。

通常来说，如果Foo是Bar的子类型，G是一种带泛型的类型，则G<Foo>不是G<Bar>的子类型。这也许是泛型学习里面最让人容易混淆的一点。

## 4.通配符 ##

### 4.1通配符？ ###

先看一个打印集合中所有元素的代码。

//使用泛型 //不使用泛型
 void printCollection(Collection c) { 
 Iterator i=c.iterator();
 for (k=0;k < c.size();k++) {
 System.out.println(i.next());
 }
 }

void printCollection(Collection<Object> c) {
 for (Object e:c) {
 System.out.println(e);
 }
 }

很容易发现，使用泛型的版本只能接受元素类型为Object类型的集合如ArrayList<Object>();如果是ArrayList<String>，则会编译时出错。因为我们前面说过，Collection<Object>并不是所有集合的超类。而老版本可以打印任何类型的集合，那么如何改造新版本以便它能接受所有类型的集合呢？这个问题可以通过使用通配符来解决。修改后的代码如下所示：

//使用通配符？，表示可以接收任何元素类型的集合作为参数
 void printCollection(Collection<?> c) {
 for (Object e:c) {
 System.out.println(e);
 }
 }

这里使用了通配符？指定可以使用任何类型的集合作为参数。读取的元素使用了Object类型来表示，这是安全的，因为所有的类都是Object的子类。这里就又出现了另外一个问题，如下代码所示，如果试图往使用通配符？的集合中加入对象，就会在编译时出现错误。需要注意的是，这里不管加入什么类型的对象都会出错。这是因为通配符？表示该集合存储的元素类型未知，可以是任何类型。往集合中加入元素需要是一个未知元素类型的子类型，正因为该集合存储的元素类型未知，所以我们没法向该集合中添加任何元素。唯一的例外是null，因为null是所有类型的子类型，所以尽管元素类型不知道，但是null一定是它的子类型。

Collection<?> c=new ArrayList<String>();
 c.add(newObject()); //compile time error，不管加入什么对象都出错，除了null外。
 c.add(null); //OK

另一方面，我们可以从List<?> lists中获取对象，虽然不知道List中存储的是什么类型，但是可以肯定的是存储的类型一定是Object的子类型，所以可以用Object类型来获取值。如for(Object obj: lists)，这是合法的。

### 4.2边界通配符 ###

1）？extends通配符

假定有一个画图的应用，可以画各种形状的图形，如矩形和圆形等。为了在程序里面表示，定义如下的类层次：

public abstract class Shape {
            public abstract void draw(Canvas c);
    
    
        }
        public class Circle extends Shape {
            private int x,y,radius;
            public void draw(Canvas c) {  }
    
    
        }
        public class Rectangle extends Shape{
            private int x,y,width,height;
            public void draw(Canvasc) { }
    
    
        }

为了画出集合中所有的形状，我们可以定义一个函数，该函数接受带有泛型的集合类对象作为参数。但是不幸的是，我们只能接收元素类型为Shape的List对象，而不能接收类型为List<Cycle>的对象，这在前面已经说过。为了解决这个问题，所以有了边界通配符的概念。这里可以采用public void drawAll(List<? extends Shape> shapes)来满足条件，这样就可以接收元素类型为Shape子类型的列表作为参数了。

//原始版本
 public void drawAll(List<Shape> shapes) {
 for (Shapes:shapes) {
 s.draw(this);
 }
 }

//使用边界通配符的版本
 public void drawAll(List<？exends Shape> shapes) {
 for (Shapes:shapes) {
 s.draw(this);
 }
 }

这里就又有个问题要注意了，如果我们希望在List<？exends Shape> shapes中加入一个矩形对象，如下所示：

shapes.add(0, new Rectangle()); //compile-time error

那么这时会出现一个编译时错误，原因在于：我们只知道shapes中的元素时Shape类型的子类型，具体是什么子类型我们并不清楚，所以我们不能往shapes中加入任何类型的对象。不过我们在取出其中对象时，可以使用Shape类型来取值，因为虽然我们不知道列表中的元素类型具体是什么类型，但是我们肯定的是它一定是Shape类的子类型。

2）？super通配符

这里还有一种边界通配符为？super。比如下面的代码：

List<Shape> shapes = new ArrayList<Shape>();
 List<? super Cicle> cicleSupers = shapes;
 cicleSupers.add(new Cicle()); //OK, subclass of Cicle also OK
 cicleSupers.add(new Shape()); //ERROR

这表示cicleSupers列表存储的元素为Cicle的超类，因此我们可以往其中加入Cicle对象或者Cicle的子类对象，但是不能加入Shape对象。这里的原因在于列表cicleSupers存储的元素类型为Cicle的超类，但是具体是Cicle的什么超类并不清楚。但是我们可以确定的是只要是Cicle或者Circle的子类，则一定是与该元素类别兼容。

3)边界通配符总结

l 如果你想从一个数据类型里获取数据，使用 ? extends 通配符

l 如果你想把对象写入一个数据结构里，使用 ? super 通配符

l 如果你既想存，又想取，那就别用通配符。

## 5.泛型方法 ##

考虑实现一个方法，该方法拷贝一个数组中的所有对象到集合中。下面是初始的版本：

static void fromArrayToCollection(Object[]a, Collection<?> c) {
 for (Object o:a) {
 c.add(o); //compile time error
 }
 }

可以看到显然会出现编译错误，原因在之前有讲过，因为集合c中的类型未知，所以不能往其中加入任何的对象（当然，null除外）。解决该问题的一种比较好的办法是使用泛型方法，如下所示：

static <T> void fromArrayToCollection(T[] a, Collection<T>c){
 for(T o : a) {
 c.add(o);// correct
 }
 }

注意泛型方法的格式，类型参数<T>需要放在函数返回值之前。然后在参数和返回值中就可以使用泛型参数了。具体一些调用方法的实例如下：

Object[] oa = new Object[100];
 Collection<Object>co = new ArrayList<Object>();
 fromArrayToCollection(oa, co);// T inferred to be Object
 String[] sa = new String[100];
 Collection<String>cs = new ArrayList<String>();
 fromArrayToCollection(sa, cs);// T inferred to be String
 fromArrayToCollection(sa, co);// T inferred to be Object
 Integer[] ia = new Integer[100];
 Float[] fa = new Float[100];
 Number[] na = new Number[100];
 Collection<Number>cn = new ArrayList<Number>();
 fromArrayToCollection(ia, cn);// T inferred to be Number
 fromArrayToCollection(fa, cn);// T inferred to be Number
 fromArrayToCollection(na, cn);// T inferred to be Number
 fromArrayToCollection(na, co);// T inferred to be Object
 fromArrayToCollection(na, cs);// compile-time error

注意到我们调用方法时并不需要传递类型参数,系统会自动判断类型参数并调用合适的方法。当然在某些情况下需要指定传递类型参数，比如当存在与泛型方法相同的方法的时候（方法参数类型不一致），如下面的一个例子：

public <T> void go(T t) {
 System.out.println("generic function");
 }
 public void go(String str) {
 System.out.println("normal function");
 }
 public static void main(String[] args) {
 FuncGenric fg = new FuncGenric();
 fg.go("haha");//打印normal function
 fg.<String>go("haha");//打印generic function
 fg.go(new Object());//打印generic function
 fg.<Object>go(new Object());//打印generic function
 }

6.其他需要注意的小点如例子中所示，当不指定类型参数时，调用的是普通的方法，如果指定了类型参数，则调用泛型方法。可以这样理解，因为泛型方法编译后类型擦除，如果不指定类型参数，则泛型方法此时相当于是public void go(Object t)。而普通的方法接收参数为String类型，因此以String类型的实参调用函数，肯定会调用形参为String的普通方法了。如果是以Object类型的实参调用函数，则会调用泛型方法。

1）方法重载

在JAVA里面方法重载是不能通过返回值类型来区分的，比如代码一中一个类中定义两个如下的方法是不容许的。但是当参数为泛型类型时，却是可以的。如下面代码二中所示，虽然形参经过类型擦除后都为List类型，但是返回类型不同，这是可以的。

2）泛型类型是被所有调用共享的

/*代码一：编译时错误*/ 
        public class Erasure{
            public void test(int i){
                System.out.println("Sting");
            }
            public int test(int i){
                System.out.println("Integer");
            }
        }

/*代码二：正确 */
 public class Erasure{
 public void test(List<String> ls){
 System.out.println("Sting");
 }
 public int test(List<Integer> li){
 System.out.println("Integer");
 }
 }

所有泛型类的实例都共享同一个运行时类，类型参数信息会在编译时被擦除。因此考虑如下代码，虽然ArrayList<String>和ArrayList<Integer>类型参数不同，但是他们都共享ArrayList类，所以结果会是true。

List<String>l1 = new ArrayList<String>();
 List<Integer>l2 = new ArrayList<Integer>();
 System.out.println(l1.getClass() == l2.getClass()); //True

3）instanceof

不能对确切的泛型类型使用instanceOf操作。如下面的操作是非法的，编译时会出错。

Collection cs = new ArrayList<String>();
 if (cs instanceof Collection<String>){…}// compile error.如果改成instanceof Collection<?>则不//会出错

4)泛型数组问题

不能创建一个确切泛型类型的数组。如下面代码会出错。

List<String>\[\] lsa = new ArrayList<String>\[10\]; //compile error.

因为如果可以这样，那么考虑如下代码，会导致运行时错误。

List<String>[] lsa = new ArrayList<String>[10]; // 实际上并不允许这样创建数组
 Object o = lsa;
 Object[] oa = (Object[]) o;
 List<Integer>li = new ArrayList<Integer>();
 li.add(new Integer(3));
 oa[1] = li;// unsound, but passes run time store check
 String s = lsa[1].get(0); //run-time error - ClassCastException

因此只能创建带通配符的泛型数组，如下面例子所示，这回可以通过编译，但是在倒数第二行代码中必须显式的转型才行，即便如此，最后还是会抛出类型转换异常，因为存储在lsa中的是List<Integer>类型的对象，而不是List<String>类型。最后一行代码是正确的，类型匹配，不会抛出异常。

List<?>[] lsa = new List<?>[10]; // ok, array of unbounded wildcard type
 Object o = lsa;
 Object[] oa = (Object[]) o;
 List<Integer>li = new ArrayList<Integer>();
 li.add(new Integer(3));
 oa[1] = li; //correct
 String s = (String) lsa[1].get(0);// run time error, but cast is explicit
 Integer it = (Integer)lsa[1].get(0); // OK