Java私房菜：探索泛型之妙用与深意

“泛型”（generics）作为Java特性之一，相信大家也耳熟能详了，就算没听说过，也肯定看过或偶然间使用过泛型，在这里，我们一起重新温习一下泛型，通过一些案例引发些新的思考。Java中的泛型作为V1.5后新增的特性，在JDK源码、中间件源码中有大量的使用，如果掌握了泛型将更容易理解源码，也提升代码抽象能力，封装通用性更强的组件。

什么是泛型

泛型是在定义类、接口和方法时，可以在声明时通过一定的格式指定其参数类型，在使用时再指定具体的类型，从而使得类、接口和方法可以被多种类型的数据所实例化或调用，这种可以在编译时进行参数类型检查的技术被称为泛型，是 JDK 5 中引入的一个新特性。本质是参数化类型，给类型指定一个参数，在使用时再指定此参数具体的值，那这个类型就可以在使用时决定。

其优点在于把运行时的错误，提前到编译时，这样就可以在编译时把错误提示出来，避免了运行时出现错误，使得在使用泛型可以提高代码的复用性，因为它可以支持多种类型的数据。

为什么要用

在没有泛型之前，从集合中读取到的每一个对象都必须进行类型转换，如果插入了错误的类型对象，在运行时的转换处理就会出错。集合容器里面如果没指定类型，默认都是Object类型，那什么都可以插入。泛型减少了源代码中的强制类型转换，代码更加可读。

泛型的分类

它可以用在类、接口和方法中，分别被称为泛型类、泛型接口、泛型方法。泛型字母通常类型参数都使用大写的单个字母，例如：

        T：任意类型 type
        E：集合中元素的类型 element
        K：key-value形式 key
        V： key-value形式 value

泛型类

public class 类名 <泛型类型1,...> {
   
}

泛型接口

public interface 接口名称 <泛型类型1,...> {
   泛型类型 方法名();
   ....
}

泛型方法

public 修饰符 <T,E,...> 返回值类型 方法名( ){
 
 ....
}

泛型类

泛型类型必须是引用类型，即类类型（不能使用基本数据类型），在类名后添加一对尖括号，并在尖括号中填写类型参数，如果参数可以有多个，多个参数使用逗号分隔。

定义

public class 类名 <泛型类型,...> {
   
   private 泛型类型 变量名

   public 泛型类型 方法名(){ }
   
   public 返回值 方法名(泛型类型 t){ }
   
   ....
}

使用（JDK1.7后，结尾的具体类型不用写）

类名<具体数据类型> 对象名 = new 类名< >();

泛型类创建的使用没有指定类型，则默认是object类型，泛型类型从逻辑上看是多个类型，实际都是相同类型，Java 可以创建对应的泛型对象和泛型数组引用，但不能直接创建泛型对象和泛型数组。

因为Java 有类型擦除，任何泛型类型在擦除之后就变成了 Object 类型，因此创建泛型对象就相当于创建了一个 Object 类型的对象，所以直接创建泛型对象和泛型数组也的行为被编译器禁止

public class CustomArrayStack<T> {
    private Object[]  arr;
    private int top;

    public CustomArrayStack(int capacity) {
        arr = new Object[capacity];
        top = -1;
    }

    // 入栈
    public void push(T value) {
        if (top == arr.length - 1) {
            throw new RuntimeException("栈已满，无法入栈");
        }
        arr[++top] = value;
    }

    // 出栈
    public T pop() {
        if (top == -1) {
            throw new RuntimeException("栈为空，无法出栈");
        }
        return (T)arr[top--];
    }

    // 查看栈顶元素
    public T peek() {
        if (top == -1) {
            throw new RuntimeException("栈为空，无法查看栈顶元素");
        }
        return (T)arr[top];
    }

    public static void main(String[] args) {
        CustomArrayStack<String> stringStack = new CustomArrayStack(2);
        stringStack.push("hello");
        stringStack.push("springboot");
        String stringValue = stringStack.pop();
        System.out.println(stringValue);

        CustomArrayStack<Integer> integerStack = new CustomArrayStack(2);
        integerStack.push(12);
        integerStack.push(88);
        Integer integerValue = integerStack.pop();
        System.out.println(integerValue);


        System.out.println(stringStack.getClass());
        System.out.println(integerStack.getClass());

    }
}

泛型派生类

如果泛型类的子类也是泛型类，那父类和子类的类型要一致，如果子类泛型有多个，那需要包括父类的泛型类型。

class Child <T,E,F> extends Parent<T> {
....
}

//定义父类
public class Parent <T>{
    private T value;

    public T getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue(T value) {
        this.value = value;
    }
}


//父子类需要同个类型
public class Child<T> extends Parent<T> {
    @Override
    public T getValue() {
        return super.getValue();
    }
}

//没指定则是默认Object
public class Child extends Parent {
    @Override
    public Object getValue() {
        return super.getValue();
    }
}

//如果子类不是泛型类，那父类要明确泛型类型
public class Child extends Parent<String> {
    ....
}

泛型接口

规则和泛型类一样，如果实现类是泛型类，那接口和实现类的泛型类型要一致；如果实现类泛型有多个，那需要包括接口的泛型类型。如果实现类不是泛型类，那接口要明确泛型类的类型

interface 接口名称 <泛型类型1,...> {
   泛型类型 方法名();
   ....
}

泛型方法

调用方法的时候指定泛型的具体类型

修饰符 <T,E,...> 返回值类型 方法名( 参数列表 ){ 
 
    方法体
    ....
}

修复符和返回值中间的有<T,E ...> 才是泛型方法 泛型类里面的普通返回值类型不是泛型方法

泛型类的类型和泛型方法的类型是互相独立的，同名也不影响，声明了【泛型方法】在参数列表和方法体里面才可以用对应的泛型。

public class CustomArrayStack<T> {
    public <E> E getRandomElement(List<E> list){
        Random random = new Random();
        return list.get(random.nextInt(list.size()));
    }
}


public class CustomArrayStack<T> {
    public <T> T getRandomElement(List<T> list){
        Random random = new Random();
        return list.get(random.nextInt(list.size()));
    }
}


//上述两种方式定义泛型方法都可以
List<String> list = Arrays.asList("springcloud","springboot","alibabacloud");
CustomArrayStack<Integer> integerStack = new CustomArrayStack(2);

String randomElement = integerStack.getRandomElement(list);
System.out.println(randomElement);

使用了类泛型的成员方法，不能定义为静态方法；使用了泛型方法的才可以定义为静态方法

可变参数的泛型方法

  /**
     * 支持多个泛型类型的，可变参数的泛型方法
     * @param f
     * @param arr
     * @param <E>
     * @param <F>
     */
    public static  <E,F,K>  void print(F f,K k,E...arr){
        System.out.println(f.getClass());
        System.out.println(k.getClass());
        for(E e:arr){
            System.out.println(e);
        }
    }
    
    
    //验证
    print(1,"hello word",1,2,3,4,5,6);

泛型通配符

Java泛型的通配符是用于解决泛型之间引用传递问题的特殊语法

//表示类型参数可以是任何类型
public class CustomCollection<?>{}
 
//表示类型参数必须是A或者是A的子类
public class CustomCollection<T extends A>{}
 
//表示类型参数必须是A或者是A的超类型
public class CustomCollection<T supers A>{}

分类

通配符

通用类型通配符 < ? >，如List < ? >，主要作用就是让泛型能够接受未知类型的数据，可以把？看成所有泛型类型的父类，是一种真实的类型，类型通配符是实参，不是形参。

public class NumberCollection<T> {

    private T value;

    public NumberCollection(T t){
        this.value = t;
    }

    public T getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue(T value) {
        this.value = value;
    }

    public static void main(String[] args) {
        NumberCollection<Integer> integerNumberCollection = new NumberCollection<>(1);
        NumberCollection<Long> longNumberCollection = new NumberCollection<>(23L);
        printInteger(integerNumberCollection);
        printLong(longNumberCollection);

        //通用性更强
        print(integerNumberCollection);
        print(longNumberCollection);

    }

    //需要写个long类型的
    public static void printLong(NumberCollection<Long> collection){
        Number number = collection.getValue();
        System.out.println(number);
    }

    //需要写个integer类型的
    public static void printInteger(NumberCollection<Integer> collection){
        Number number = collection.getValue();
        System.out.println(number);
    }

    //使用泛型通配符，复用性更强
    public static void print(NumberCollection<?> collection){
        Object collectionValue = collection.getValue();
        System.out.println(collectionValue);
    }


}

通配符的上边界

固定上边界的通配符采用<? extends E>的形式，使用固定上边界的通配符的泛型, 只能够接受指定类及其子类类型的数据。采用<? extends E>的形式, 这里的E就是该泛型的上边界

这里虽然用的是extends关键字, 却不仅限于继承了父类E的子类, 也可以代指显现了接口E的类

    //使用泛型通配符,什么类型都适合，里面具体类型需要用到Object
    public static void print(NumberCollection<?> collection){
        Object collectionValue = collection.getValue();
        System.out.println(collectionValue);
    }

    //使用泛型通配符, 固定上边界的通配符，不能任意元素,只能是Number的子类
    public static void printUp(NumberCollection<? extends Number> collection){
        Number collectionValue = collection.getValue();
        System.out.println(collectionValue);
    }


     //字符串类型，测试报错
     NumberCollection<String> stringNumberCollection = new NumberCollection<>("springboot");
     printUp(stringNumberCollection);

通配符的下边界

固定下边界的通配符，采用<? super E>的形式，使用固定下边界的通配符的泛型, 只能够接受指定类及其父类类型的数据。采用<? super E>的形式, 这里的E就是该泛型的下边界，可以为一个泛型指定上边界或下边界, 但是不能同时指定上下边界

//只能是integer或者integer的父类
public static void printDown(NumberCollection<? super Integer> collection){
    Object object = collection.getValue();
    System.out.println(object);
}
    
    
//测试
NumberCollection<Long> longNumberCollection = new NumberCollection<>(23L);
//报错，类型不支持，需要ineter或其父类
// printDown(longNumberCollection);
NumberCollection<Integer> integerNumberCollection = new NumberCollection<>(1);
printDown(integerNumberCollection);
NumberCollection<Number> numberCollection = new NumberCollection<>(55L);
printDown(numberCollection);

泛型类型擦除

泛型是JDK1.5后出现的，但泛型代码和常规版本代码可以兼容，主要原因是泛型是在代码编译阶段，代码编译完成后进入JVM运行前，相关的泛型类型信息会被删除，这个即泛型类型擦除。
对于类泛型、接口泛型、方法泛型都有影响。

无限制类型擦除，擦除后都是Object类型

//没指定类型则擦除后是Object最顶级父类
public class Generic<T,K>{
    private T age;
    private K name;
    public static void main(String[] args) {
        Generic generic = new Generic<Ingeger,String>();

        //反射获取字节码文件class对象
        Class<? extends Generic> aClass = generic.getClass();

        //获取所有成员变量
        Field[] declaredFields = aClass.getDeclaredFields();
        for(Field field : declaredFields){
            //获取每个属性名称和类型
            System.out.println(field.getName() +"，类型="+field.getType().getSimpleName());
        }
    }
}

//打印输出
age，类型=Object
name，类型=Object

有限制类型擦除

//T 需要是 Number的子类，所以擦除后就是Number类型，没指定类型则擦除后是Object最顶级父类
public class Generic<T extends Number ,K >{
    private T age;

    private K name;

    public static void main(String[] args) {
        Generic<Integer,String> generic = new Generic<>();

        //反射获取字节码文件class对象
        Class<? extends Generic> aClass = generic.getClass();

        //获取所有成员变量
        Field[] declaredFields = aClass.getDeclaredFields();
        for(Field field : declaredFields){
            //获取每个属性名称和类型
            System.out.println(field.getName() +"，类型="+field.getType().getSimpleName());
        }

    }
}

//打印输出
age，类型=Number
name，类型=Object

泛型应用

如何创建泛型数组?

在 Java 中是不能直接创建泛型对象和泛型数组的，主要原因是 Java 有类型擦除，任何泛型类型在擦除之后就变成了 Object 类型或者对应的上限类型，那定义的类中如果需要用到泛型数组，如何解决这个问题？

方法一：可以通过反射下的 Array.newInstance 创建泛型数组，告知指定的类型字节码即可，使得可以创建实际类型的数组。

public class GenericsArray<T> {
    private  T[] array;

    public GenericsArray(Class<T> clz , int capacity) {
        array = (T[]) Array.newInstance(clz,capacity);
    }

    public T[] getAll() {
        return array;
    }

    public void put(int index, T item) {
        array[index] = item;
    }

    public T get(int index) {
        return (T)array[index];
    }


    public static void main(String[] args) {
        GenericsArray<String> genericsArray = new GenericsArray(String.class,3);
        genericsArray.put(0,"springcloud");
        genericsArray.put(1,"springboot");
        String value = genericsArray.get(0);
        System.out.println(value);

        //下面代代码运行不报错，虽然有泛型的擦除，但在构造器中传递了类型标记Class，从擦除中恢复，使得可以创建实际类型的数组
        String[] all = genericsArray.getAll();
        System.out.println(all);

    }
}

方法二：直接使用创建Object类型的数组，然后获取的时候，根据类型返回进行强转即可

public class GenricsArray<T> {
    private Object[] arr;

    public GenricsArray(int size) {
        arr = new Object[size];
    }

    public void put(int index, T item) {
        arr[index] = item;
    }

    public T get(int index) {
        return (T) arr[index];
    }

    public T[]  getArr() {
         return (T[]) arr;
     }
    public static void main(String[] args) {
        GenricsArray<String> ga = new GenricsArray<>(3);
        ga.put(0, "Hello");
        ga.put(1, "World");
        ga.put(2, "!");

        // 自动类型转换
        String[] strArr = ga.getArr();
        for (String str : strArr) {
            System.out.println(str);
        }}

}