Java總結篇系列：Java泛型

一. 泛型概念的提出（為什么需要泛型）？

首先，我們看下下面這段簡短的代碼:

public class GenericTest {


public static void main(String[] args) {
    List list = new ArrayList();
    list.add("qqyumidi");
    list.add("corn");
    list.add(100);

    for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
        String name = (String) list.get(i); // 1
        System.out.println("name:" + name);
    }
}

}</code></pre> 
  
定義了一個List類型的集合，先向其中加入了兩個字符串類型的值，隨后加入一個Integer類型的值。這是完全允許的，因為此時list默認的類型為Object類型。在之后的循環中，由于忘記了之前在list中也加入了Integer類型的值或其他編碼原因，很容易出現類似于//1中的錯誤。因為編譯階段正常，而運行時會出現“java.lang.ClassCastException”異常。因此，導致此類錯誤編碼過程中不易發現。
 
  
在如上的編碼過程中，我們發現主要存在兩個問題：
 
  
1.當我們將一個對象放入集合中，集合不會記住此對象的類型，當再次從集合中取出此對象時，改對象的編譯類型變成了Object類型，但其運行時類型任然為其本身類型。
 
  
2.因此，//1處取出集合元素時需要人為的強制類型轉化到具體的目標類型，且很容易出現“java.lang.ClassCastException”異常。
 
  
那么有沒有什么辦法可以使集合能夠記住集合內元素各類型，且能夠達到只要編譯時不出現問題，運行時就不會出現“java.lang.ClassCastException”異常呢？答案就是使用泛型。
 
  
二.什么是泛型？
 
  
泛型，即“參數化類型”。一提到參數，最熟悉的就是定義方法時有形參，然后調用此方法時傳遞實參。那么參數化類型怎么理解呢？顧名思義，就是將類型由原來的具體的類型參數化，類似于方法中的變量參數，此時類型也定義成參數形式（可以稱之為類型形參），然后在使用/調用時傳入具體的類型（類型實參）。
 
  
看著好像有點復雜，首先我們看下上面那個例子采用泛型的寫法。
 
  
public class GenericTest {


public static void main(String[] args) {
    /*
    List list = new ArrayList();
    list.add("qqyumidi");
    list.add("corn");
    list.add(100);
    */

    List<String> list = new ArrayList<String>();
    list.add("qqyumidi");
    list.add("corn");
    //list.add(100);   // 1  提示編譯錯誤

    for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
        String name = list.get(i); // 2
        System.out.println("name:" + name);
    }
}

}</code></pre> 
  
采用泛型寫法后，在//1處想加入一個Integer類型的對象時會出現編譯錯誤，通過List，直接限定了list集合中只能含有String類型的元素，從而在//2處無須進行強制類型轉換，因為此時，集合能夠記住元素的類型信息，編譯器已經能夠確認它是String類型了。
 
  
結合上面的泛型定義，我們知道在List中，String是類型實參，也就是說，相應的List接口中肯定含有類型形參。且get()方法的返回結果也直接是此形參類型（也就是對應的傳入的類型實參）。下面就來看看List接口的的具體定義：
 
  
public interface List<E> extends Collection<E> {


int size();

boolean isEmpty();

boolean contains(Object o);

Iterator<E> iterator();

Object[] toArray();

<T> T[] toArray(T[] a);

boolean add(E e);

boolean remove(Object o);

boolean containsAll(Collection<?> c);

boolean addAll(Collection<? extends E> c);

boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);

boolean removeAll(Collection<?> c);

boolean retainAll(Collection<?> c);

void clear();

boolean equals(Object o);

int hashCode();

E get(int index);

E set(int index, E element);

void add(int index, E element);

E remove(int index);

int indexOf(Object o);

int lastIndexOf(Object o);

ListIterator<E> listIterator();

ListIterator<E> listIterator(int index);

List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);

}</code></pre> 
  
我們可以看到，在List接口中采用泛型化定義之后，中的E表示類型形參，可以接收具體的類型實參，并且此接口定義中，凡是出現E的地方均表示相同的接受自外部的類型實參。
 
  
自然的，ArrayList作為List接口的實現類，其定義形式是：
 
  
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> 
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {


public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);
    checkForComodification();
    return ArrayList.this.elementData(offset + index);
}

//...省略掉其他具體的定義過程


}</code></pre> 
  
由此，我們從源代碼角度明白了為什么//1處加入Integer類型對象編譯錯誤，且//2處get()到的類型直接就是String類型了。
 
  
三.自定義泛型接口、泛型類和泛型方法
 
  
從上面的內容中，大家已經明白了泛型的具體運作過程。也知道了接口、類和方法也都可以使用泛型去定義，以及相應的使用。是的，在具體使用時，可以分為泛型接口、泛型類和泛型方法。
 
  
自定義泛型接口、泛型類和泛型方法與上述Java源碼中的List、ArrayList類似。如下，我們看一個最簡單的泛型類和方法定義：
 
  
public class GenericTest {


public static void main(String[] args) {

    Box<String> name = new Box<String>("corn");
    System.out.println("name:" + name.getData());
}


}
class Box<T> {

private T data;

public Box() {

}

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

public T getData() {
    return data;
}


}</code></pre> 
  
在泛型接口、泛型類和泛型方法的定義過程中，我們常見的如T、E、K、V等形式的參數常用于表示泛型形參，由于接收來自外部使用時候傳入的類型實參。 那么對于不同傳入的類型實參，生成的相應對象實例的類型是不是一樣的呢？
 
  
public class GenericTest {


public static void main(String[] args) {

    Box<String> name = new Box<String>("corn");
    Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);

    System.out.println("name class:" + name.getClass());      // com.qqyumidi.Box
    System.out.println("age class:" + age.getClass());        // com.qqyumidi.Box
    System.out.println(name.getClass() == age.getClass());    // true

}


}</code></pre> 
  
由此，我們發現，在使用泛型類時，雖然傳入了不同的泛型實參，但并沒有真正意義上生成不同的類型，傳入不同泛型實參的泛型類在內存上只有一個，即還是原來的最基本的類型（本實例中為Box），當然，在邏輯上我們可以理解成多個不同的泛型類型。
 
  
究其原因，在于Java中的泛型這一概念提出的目的，導致其只是作用于代碼編譯階段，在編譯過程中，對于正確檢驗泛型結果后，會將泛型的相關信息擦出，也就是說，成功編譯過后的class文件中是不包含任何泛型信息的。泛型信息不會進入到運行時階段。
 
  
對此總結成一句話：泛型類型在邏輯上看以看成是多個不同的類型，實際上都是相同的基本類型。
 
  
四.類型通配符
 
  
接著上面的結論，我們知道，Box和Box實際上都是Box類型，現在需要繼續探討一個問題，那么在邏輯上，類似于Box和Box是否可以看成具有父子關系的泛型類型呢？
 
  
為了弄清這個問題，我們繼續看下下面這個例子:
 
  
/**


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*/
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {

 Box<Number> name = new Box<Number>(99);
 Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);

 getData(name);

 //The method getData(Box<Number>) in the type GenericTest is 
 //not applicable for the arguments (Box<Integer>)
 getData(age);   // 1


}
public static void getData(Box<Number> data){

 System.out.println("data :" + data.getData());

}


}</code></pre> 
  
我們發現，在代碼//1處出現了錯誤提示信息：The method getData(Box) in the t ype GenericTest is not applicable for the arguments (Box)。顯然，通過提示信息，我們知道Box在邏輯上不能視為Box的父類。那么，原因何在呢？
 
  
public class GenericTest {


public static void main(String[] args) {

    Box<Integer> a = new Box<Integer>(712);
    Box<Number> b = a;  // 1
    Box<Float> f = new Box<Float>(3.14f);
    b.setData(f);        // 2

}

public static void getData(Box<Number> data) {
    System.out.println("data :" + data.getData());
}


}
class Box<T> {

private T data;

public Box() {

}

public Box(T data) {
    setData(data);
}

public T getData() {
    return data;
}

public void setData(T data) {
    this.data = data;
}


}</code></pre> 
  
這個例子中，顯然//1和//2處肯定會出現錯誤提示的。在此我們可以使用反證法來進行說明。
 
  
假設Box在邏輯上可以視為Box的父類，那么//1和//2處將不會有錯誤提示了，那么問題就出來了，通過getData()方法取出數據時到底是什么類型呢？Integer? Float? 還是Number？且由于在編程過程中的順序不可控性，導致在必要的時候必須要進行類型判斷，且進行強制類型轉換。顯然，這與泛型的理念矛盾，因此，在邏輯上Box不能視為Box的父類。
 
  
好，那我們回過頭來繼續看“類型通配符”中的第一個例子，我們知道其具體的錯誤提示的深層次原因了。那么如何解決呢？總部能再定義一個新的函數吧。這和Java中的多態理念顯然是違背的，因此，我們需要一個在邏輯上可以用來表示同時是Box和Box的父類的一個引用類型，由此，類型通配符應運而生。
 
  
類型通配符一般是使用 ? 代替具體的類型實參。注意了，此處是類型實參，而不是類型形參！且Box
 
  
/**


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*/
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {

 Box<String> name = new Box<String>("corn");
 Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
 Box<Number> number = new Box<Number>(314);

 getData(name);
 getData(age);
 getData(number);

}
public static void getData(Box<?> data) {

 System.out.println("data :" + data.getData());

}


}</code></pre> 
  
有時候，我們還可能聽到 類型通配符上限和類型通配符下限。 具體有是怎么樣的呢？
 
  
在上面的例子中，如果需要定義一個功能類似于getData()的方法，但對類型實參又有進一步的限制：只能是Number類及其子類。此時，需要用到類型通配符上限。
 
  
public class GenericTest {


public static void main(String[] args) {

    Box<String> name = new Box<String>("corn");
    Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
    Box<Number> number = new Box<Number>(314);

    getData(name);
    getData(age);
    getData(number);

    //getUpperNumberData(name); // 1
    getUpperNumberData(age);    // 2
    getUpperNumberData(number); // 3
}

public static void getData(Box<?> data) {
    System.out.println("data :" + data.getData());
}

public static void getUpperNumberData(Box<? extends Number> data){
    System.out.println("data :" + data.getData());
}


}</code></pre> 
  
此時，顯然，在代碼//1處調用將出現錯誤提示，而//2 //3處調用正常。
 
  
類型通配符上限通過形如Box
 
  
五.話外篇
 
  
本文中的例子主要是為了闡述泛型中的一些思想而簡單舉出的，并不一定有著實際的可用性。另外，一提到泛型，相信大家用到最多的就是在集合中，其實，在實際的編程過程中，自己可以使用泛型去簡化開發，且能很好的保證代碼質量。 并且還要注意的一點是，Java中沒有所謂的泛型數組一說。
 
  
對于泛型，最主要的還是需要理解其背后的思想和目的。
 
  
 
 
  
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