Java 基础 - 并不神奇的泛型

前言

前阵子给公司新人培训Java 基础相关的一些点，系统整理了一下泛型相关的知识点。特来分享一下。希望能让一些对泛型不熟悉的同学完全掌握Java 泛型的相关知识点。

开始之前，先给大家来一道测试题。

List<String> strList = new ArrayList<String>();
List<Integer> integerList = new ArrayList<Integer>();
        
System.out.println(strList.getClass() == integerList.getClass());

请问，上面代码最终结果输出的是什么？熟悉泛型的同学应该能够答出来，而对泛型有所了解，但是了解不深入的同学可能会答错。

content

• 泛型概述

  • why 泛型
  • 泛型的作用

• 泛型的定义和使用

  • 泛型类
  • 泛型方法
  • 泛型接口

• 通配符 ？

  • 无界通配符
  • 上限通配符
  • 下限通配符
• 类型擦除

带着问题

1. Java中的泛型是什么 ? 使用泛型的好处是什么?
2. 什么是泛型中的限定通配符和无界通配符 ?
3. 你可以把 List<String> 传递给一个接受 List<Object> 参数的方法吗？
4. Java的泛型是如何工作的 ? 什么是类型擦除 ?

一、泛型概述

最早的“泛型编程”的概念起源于C++的模板类(Template)，Java 借鉴了这种模板理念，只是两者的实现方式不同。C++ 会根据模板类生成不同的类，Java 使用的是类型擦除的方式。

1.1 why 泛型？

Java1.5 发行版本中增加了泛型（Generic）。

-- 《Java 编程思想》

容器就是要存放要使用的对象的地方。数组也是如此，只是相比较的话，容器类更加的灵活，具有更多的功能。所有的程序，在运行的时候都要求你持有一大堆的对象，所以容器类算得上最需要具有重用性的类库之一了。

看下面这个例子，

public class AutoMobile {
}

/**
 * 重用性不好的容器类
 */
public class Holder1 {

    private AutoMobile a;

    public Holder1(AutoMobile a) {
        this.a = a;
    }
    //~~
}

/**
 * 想要在java5 之前实现可重用性的容器类
 * @author Richard_yyf
 * @version 1.0 2019/8/29
 */
public class Holder2 {

    private Object a;

    public Holder2(Object a) {
        this.a = a;
    }

    public Object getA() {
        return a;
    }

    public void setA(Object a) {
        this.a = a;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Holder2 h2 = new Holder2(new AutoMobile());
        AutoMobile a = (AutoMobile) h2.getA();
        h2.setA("Not an AutoMobile");
        String s = (String) h2.getA();
        h2.setA(1);
        Integer x = (Integer) h2.getA();
    }
}



/**
 * 通过泛型来实现可重用性
 * 泛型的主要目的是指定容器要持有什么类型的对象
 * 而且由编译器来保证类型的正确性
 *
 * @author Richard_yyf
 * @version 1.0 2019/8/29
 */
public class Holder3WithGeneric<T> {

    private T a;

    public Holder3WithGeneric(T a) {
        this.a = a;
    }

    public T getA() {
        return a;
    }

    public void setA(T a) {
        this.a = a;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Holder3WithGeneric<AutoMobile> h3 = new Holder3WithGeneric<>(new AutoMobile());
        // No class cast needed
        AutoMobile a = h3.getA();
    }
}

通过上述对比，我们应该可以理解类型参数化具体是什么个意思。

在没有泛型之前，从集合中读取到的每一个对象都需要进行转换。如果有人不小心插入了类型错误的对象，在运行时的转换处理就会出错。这显然是不可忍受的。

泛型的出现，给Java带来了不一样的编程体验。

1.2 泛型的作用

1. 参数化类型 。与普通的 Object 代替一切类型这样简单粗暴而言，泛型使得数据的类别可以像参数一样由外部传递进来。它提供了一种扩展能力。它更符合面向抽象开发的软件编程宗旨。
2. 类型检测。 当具体的类型确定后，泛型又提供了一种类型检测的机制，只有相匹配的数据才能正常的赋值，否则编译器就不通过。所以说，它是一种类型安全检测机制，一定程度上提高了软件的安全性防止出现低级的失误。
3. 提高代码可读性。 不必要等到运行的时候才去强制转换，在定义或者实例化阶段，因为 Holder<AutoMobile> 这个类型显化的效果，程序员能够一目了然猜测出这个容器类持有的数据类型。
4. 代码重用。 泛型合并了同类型对象的处理代码，使得代码重用度变高。

二、泛型的定义和使用

泛型按照使用情况可以分为 3 种。

1. 泛型类
2. 泛型方法
3. 泛型接口

2.1 泛型类

• 概述：把泛型定义在类上

• 定义格式：

  public class 类名 <泛型类型1,...> {
      ...
  }

• 注意事项：泛型类型必须是引用类型（非基本数据类型）

类型参数 规范（约定俗称）

尖括号 <> 中的 字母 被称作是类型参数，用于指代任何类型。我们常看到 <T> 的写法，事实上，T 只是一种习惯性写法，如果你愿意。你可以这样写。

public class Test<Hello> {
    Hello field1;
}

但出于规范和可读性的目的，Java 还是建议我们用单个大写字母来代表类型参数。常见的如：

• T 代表一般的任何类。
• E 代表 Element 的意思，或者 Exception 异常的意思。
• K 代表 Key 的意思。
• V 代表 Value 的意思，通常与 K 一起配合使用。
• S 代表 Subtype 的意思

2.2 泛型方法

• 概述：把泛型定义在方法上

• 定义格式：

  public <泛型类型> 返回类型 方法名(泛型类型 变量名) {
      ...
  }

• 注意事项：

  • 这里的 <T> 中的 T 被称为类型参数，而方法中的 T 被称为参数化类型，它不是运行时真正的参数。
  • 方法声明中定义的 形参只能在该方法里使用 ，而 接口、类声明中定义的类型形参则可以在整个接口、类中使用 。

泛型类和泛型方法共存的现象

/**
 * 泛型类与泛型方法的共存现象
 * @author Richard_yyf
 * @version 1.0 2019/8/29
 */
public class GenericDemo2<T> {

    public  void testMethod(T t){
        System.out.println(t.getClass().getName());
    }
    public  <T> T testMethod1(T t){
        return t;
    }

    public static void main(String[] args) {
        GenericDemo2<String> t = new GenericDemo2<>();
        t.testMethod("generic");
        Integer integer = 1;
        Integer i = t.testMethod1(integer);

    }
}

泛型方法始终以自己定义的类型参数为准

当然，现实场景下千万不要去作死写出这么难以阅读的代码。

2.3 泛型接口

泛型接口和泛型类差不多。

• 泛型接口概述：把泛型定义在接口

• 定义格式：

  public interface 接口名<泛型类型> {
      ...
  }

Demo

public interface GenericInterface<T> {

    void show(T t);
}

public class GenericInterfaceImpl<String> implements GenericInterface<String>{

    @Override
    public void show(String o) {

    }
}

三、 通配符 ？

除了用 <T> 表示泛型外，还有 <?> 这种形式。 ？ 被称为通配符。

为什么要引进这个概念呢？先来看下下面的Demo.

public class GenericDemo2 {

    class Base{}

    class Sub extends Base{}

    public void test() {
        // 继承关系
        Sub sub = new Sub();
        Base base = sub;
        List<Sub> lsub = new ArrayList<>();
        // 编译器是不会让下面这行代码通过的，
        // 因为 Sub 是 Base 的子类，不代表 List<Sub>和 List<Base>有继承关系。
        List<Base> lbase = lsub;
    }
}

在现实编码中，确实有这样的需求，希望泛型能够处理 某一范围内的数据类型 ，比如某个类和它的子类，对此 Java 引入了通配符这个概念。

所以，通配符的出现是为了指定泛型中的类型范围。

通配符有 3 种形式。

<?>
<? extends T>
<? super T>

3.1 无界通配符 <?>

无限定通配符经常与容器类配合使用，它其中的 ? 其实代表的是未知类型，所以涉及到 ? 时的操作，一定与具体类型无关。

// Collection.java
public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
   
    boolean add(E e);
}

public class GenericDemo3 {
    /**
     * 测试 无限定通配符 <?>
     * @param collection c
     */
    public void testUnBoundedGeneric(Collection<?> collection) {
        collection.add(123);
        collection.add("123");
        collection.add(new Object());

        // 你只能调用 Collection 中与类型无关的方法
        collection.iterator().next();
        collection.size();
    }
}

无需关注 Collection 中的真实类型， 因为它是未知的 。所以，你只能调用 Collection 中与类型无关的方法。

有同学可能会想， <?> 既然作用这么渺小，那么为什么还要引用它呢？ 

个人认为，提高了代码的可读性，程序员看到这段代码时，就能够迅速对此建立极简洁的印象，能够快速推断源码作者的意图。

（用的很少，但是要理解）

为了接下去的说明方便，先定义一下几个类。

class Food {}

    class Fruit extends Food {}

    class Apple extends Fruit {}

    class Banana extends Fruit {}

    // 容器类
    class Plate<T> {
        private T item;

        public Plate(T item) {
            this.item = item;
        }

        public T getItem() {
            return item;
        }

        public void setItem(T item) {
            this.item = item;
        }
    }

3.2 上限 通配符 <? extends T>

<?> 代表着类型未知，但是我们的确需要对于类型的描述再精确一点，我们希望在一个范围内确定类别，比如类型 T 及 类型 T 的子类都可以放入这个容器中。

什么是上界

在这个体系中，上限通配符 Plate<？ extends Fruit> 覆盖下图中蓝色的区域。

副作用

边界让Java不同泛型之间的转换更容易了。但不要忘记，这样的转换也有一定的副作用。那就是容器的部分功能可能失效。

public void testUpperBoundedBoundedGeneric() {
       Plate<? extends Fruit> p = new Plate<>(new Apple());

       // 不能存入任何元素
        p.setItem(new Fruit()); // error
        p.setItem(new Apple()); // error

        // 读出来的元素需要是 Fruit或者Fruit的基类
        Fruit fruit = p.getItem();
        Food food = p.getItem();
//        Apple apple = p.getItem();
    }

<? extends Fruit>会使往盘子里放东西的set( )方法失效。但取东西get( )方法还有效。比如下面例子里两个set()方法，插入Apple和Fruit都报错。

原因是编译器只知道容器内是Fruit或者它的派生类，但具体是什么类型不知道。可能是Fruit？可能是Apple？也可能是Banana，RedApple，GreenApple？

如果你需要一个只读容器，用它来produce T，那么使用<? extends T> 。

3.3 下限通配符 <? super T>

相对应的，还有下限通配符 <? super T>

什么是下界

对应刚才那个例子， Plate<？ super Fruit> 覆盖下图中红色的区域。

副作用

public void testLowerBoundedBoundedGeneric() {
//        Plate<? super Fruit> p = new Plate<>(new Food());
        Plate<? super Fruit> p = new Plate<>(new Fruit());

        // 存入元素正常
        p.setItem(new Fruit());
        p.setItem(new Apple());

        // 读取出来的东西，只能放在Object中
        Apple apple = p.getItem(); // error
        Object o = p.getItem();
    }

因为下界规定了元素的最小粒度的下限，实际上是放松了容器元素的类型控制。既然元素是Fruit的基类，往里面存比Fruit粒度小的类都可以。但是往外读取的话就费劲了，只有所有类的基类Object可以装下。但这样一来元素类型信息就都丢失了。

3.4 PECS 原则

PECS - Producer Extends Consumer Super

• “Producer Extends” – 如果你需要一个只读容器，用它来produce T，那么使用<? extends T> 。
• “Consumer Super” – 如果你需要一个只写容器，用它来consume T，那么使用<? super T>。
• 如果需要同时读取以及写入，那么我们就不能使用通配符了。

四、 类型擦除

泛型是 Java 1.5 版本才引进的概念，在这之前是没有泛型的概念的，但显然，泛型代码能够很好地和之前版本的代码很好地兼容。

这是因为， 泛型信息只存在于代码编译阶段，在进入 JVM 之前，与泛型相关的信息会被擦除掉

专业术语叫做 类型擦除。

List<String> strList = new ArrayList<String>();
List<Integer> integerList = new ArrayList<Integer>();
        
System.out.println(strList.getClass() == integerList.getClass());

==== output =====
true
=================

打印的结果为 true 是因为 List<String> 和 List<Integer> 在 jvm 中的 Class 都是 List.class。

泛型信息被擦除了。

/**
 * 类型擦除 相关类
 *
 * @author Richard_yyf
 * @version 1.0 2019/8/29
 */
public class EraseHolder<T> {

    T data;

    public EraseHolder(T data) {
        this.data = data;
    }

    public static void main(String[] args) {
        EraseHolder<String> holder = new EraseHolder<>("hello");
        Class clazz = holder.getClass();
        System.out.println("erasure class is:" + clazz.getName());

        Field[] fs = clazz.getDeclaredFields();
        for ( Field f:fs) {
            // 那我们可不可以说，泛型类被类型擦除后，相应的类型就被替换成 Object 类型呢？
            System.out.println("Field name "+f.getName()+" type:"+f.getType().getName());
        }

        EraseHolder2<String> holder2 = new EraseHolder2<>("hello");
        clazz = holder2.getClass();
        fs = clazz.getDeclaredFields();
        for ( Field f:fs) {
            System.out.println("Field name "+f.getName()+" type:"+f.getType().getName());
        }
    }

    static class EraseHolder2<T extends String> {
        T data;

        public EraseHolder2(T data) {
            this.data = data;
        }
    }
}

局限性

利用类型擦除的原理，用反射的手段就绕过了正常开发中编译器不允许的操作限制。

public class EraseReflectDemo {

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        list.add(23);
        // can't add here
        // 因为泛型的限制 boolean add(E e);
        list.add("123"); // error

        // 利用反射可以绕过编译器去调用add方法
        // 又因为类型擦除时 boolean add(E e); 等同于 boolean add(Object e);

        try {
            Method method = list.getClass().getDeclaredMethod("add", Object.class);

            method.invoke(list, "test");
            method.invoke(list, 42.9f);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        for (Object o : list) {
            System.out.println(o);
        }


    }
}

==== output =====
23
test
42.9
=================