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013.泛型（Generic）

18分钟阅读

泛型的引入

在 Java 中，我们在声明方法时，当在完成方法功能时如果有未知的数据需要参与，这些未知的数据需要在调用方法时才能确定，那么我们把这样的数据通过形参表示。在方法体中，用这个形参名来代表那个未知的数据，而调用者在调用时，对应的传入实参就可以了。

受以上启发，JDK5.0 设计了泛型的概念。泛型即为“类型参数”，这个类型参数在声明它的类、接口或方法中，代表未知的某种通用类型。

举例 1：

集合类在设计阶段/声明阶段不能确定这个容器到底实际存的是什么类型的对象，所以在 JDK5.0 之前只能把元素类型设计为 Object，JDK5.0 时 Java 引入了“参数化类型（Parameterized type）”的概念，允许我们在创建集合时指定集合元素的类型。比如：List<String>，这表明该 List 只能保存字符串类型的对象。

使用集合存储数据时，除了元素的类型不确定，其他部分是确定的（例如关于这个元素如何保存，如何管理等）。

举例 2：

java.lang.Comparable 接口和 java.util.Comparator 接口，是用于比较对象大小的接口。这两个接口只是限定了当一个对象大于另一个对象时返回正整数，小于返回负整数，等于返回 0，但是并不确定是什么类型的对象比较大小。JDK5.0 之前只能用 Object 类型表示，使用时既麻烦又不安全，因此 JDK5.0 给它们增加了泛型。

其中 <T> 就是类型参数，即泛型。

所谓泛型，就是允许在定义类、接口时通过一个标识表示类中某个属性的类型或者是某个方法的返回值或参数的类型。这个类型参数将在使用时（例如，继承或实现这个接口、创建对象或调用方法时）确定（即传入实际的类型参数，也称为类型实参）。

使用泛型举例

自从 JDK5.0 引入泛型的概念之后，对之前核心类库中的 API 做了很大的修改，例如：JDK5.0 改写了集合框架中的全部接口和类、java.lang.Comparable 接口、java.util.Comparator 接口、Class 类等。为这些接口、类增加了泛型支持，从而可以在声明变量、创建对象时传入类型实参。

集合中使用泛型

集合中没有使用泛型时：

集合中使用泛型时：

Java 泛型可以保证如果程序在编译时没有发出警告，运行时就不会产生 ClassCastException 异常。即，把不安全的因素在编译期间就排除了，而不是运行期；既然通过了编译，那么类型一定是符合要求的，就避免了类型转换。

同时，代码更加简洁、健壮。

把一个集合中的内容限制为一个特定的数据类型，这就是 generic 背后的核心思想。

比较器中使用泛型

举例：

package com.atguigu.generic;
 
public class Circle {
    private double radius;
 
    public Circle(double radius) {
        super();
        this.radius = radius;
    }
 
    public double getRadius() {
        return radius;
    }
 
    public void setRadius(double radius) {
        this.radius = radius;
    }
 
    @Override
    public String toString() {
        return "Circle [radius=" + radius + "]";
    }
 
}

使用泛型之前：

package com.atguigu.generic;
 
import java.util.Comparator;
 
class CircleComparator implements Comparator {
    @Override
    public int compare(Object o1, Object o2) {
        // 强制类型转换
        Circle c1 = (Circle) o1;
        Circle c2 = (Circle) o2;
        return Double.compare(c1.getRadius(), c2.getRadius());
    }
}
 
// 测试
public class TestNoGeneric {
    public static void main(String[] args) {
        CircleComparator com = new CircleComparator();
        System.out.println(com.compare(new Circle(1), new Circle(2)));
 
		System.out.println(com.compare("圆1", "圆2")); // 运行时异常：ClassCastException
    }
}

使用泛型之后：

package com.atguigu.generic;
 
import java.util.Comparator;
 
class CircleComparator1 implements Comparator<Circle> {
    @Override
    public int compare(Circle o1, Circle o2) {
        // 不再需要强制类型转换，代码更简洁
        return Double.compare(o1.getRadius(), o2.getRadius());
    }
}
 
// 测试
public class TestHasGeneric {
    public static void main(String[] args) {
        CircleComparator1 com = new CircleComparator1();
        System.out.println(com.compare(new Circle(1), new Circle(2)));
 
        // System.out.println(com.compare("圆1", "圆2"));
        // 编译错误，因为"圆1", "圆2"不是 Circle 类型，是 String 类型，编译器提前报错，
        // 而不是冒着风险在运行时再报错。
    }
}

相关使用说明

在创建集合对象的时候，可以指明泛型的类型：

  • 具体格式为：List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
  • JDK7.0 时，有新特性（类型推断），可以简写为：List<Integer> list = new ArrayList<>();

泛型，也称为泛型参数，即参数的类型，只能使用引用数据类型进行赋值。（不能使用基本数据类型，可以使用包装类替换）

集合声明时，声明泛型参数。在使用集合时，可以具体指明泛型的类型。一旦指明，类或接口内部，凡是使用泛型参数的位置，都指定为具体的参数类型。如果没有指明的话，看做是 Object 类型。

自定义泛型结构

泛型的基础说明

泛型语法

  • <类型> 这种语法形式就叫泛型。
  • <类型> 的形式我们称为类型参数，这里的”类型”习惯上使用 T 表示，是 Type 的缩写。即：<T>。
  • <T>：代表未知的数据类型，我们可以指定为 <String>、<Integer>、<Circle> 等。
  • 这里的 T，可以替换成 K、V 等任意字母。（习惯单个大写字母标识泛型）

在哪里可以泛型

声明类或接口时，在类名或接口名后面声明泛型类型，我们把这样的类或接口称为泛型类或泛型接口：

[修饰符] class 类名<类型变量列表> [extends 父类] [implements 接口们] {
 
}
 
[修饰符] interface 接口名<类型变量列表> [extends 接口们] {
 
}
 
// 举例：
public class ArrayList<E> {}
public interface Map<K, V> {}

声明方法时，在修饰符与返回值类型之间声明类型变量，我们把声明了类型变量的方法，称为泛型方法：

[修饰符] <类型变量列表> 返回值类型 方法名([形参列表]) [throws 异常列表] {
 
}
 
// 举例：java.util.Arrays 类中的
public static <T> List<T> asList(T... a) {}

自定义泛型类或泛型接口

当我们在类或接口中定义某个成员时，该成员的相关类型是不确定的，而这个类型需要在使用这个类或接口时才可以确定，那么我们可以使用泛型类、泛型接口。

说明：

  1. 在声明完自定义泛型类以后，可以在类的内部（比如：属性、方法、构造器中）使用类的泛型。
  2. 在创建自定义泛型类的对象时，可以指明泛型参数类型。一旦指明，内部凡是使用类的泛型参数的位置，都具体化为指定的类的泛型类型。
  3. 如果在创建自定义泛型类的对象时，没有指明泛型参数类型，那么泛型将被擦除，泛型对应的类型均按照 Object 处理，但不等价于 Object。
    • 经验：泛型要使用一路都用；要不用，一路都不要用。
  4. 泛型的指定中必须使用引用数据类型。不能使用基本数据类型，此时只能使用包装类替换。
  5. 除创建泛型类对象外，子类继承泛型类时、实现类实现泛型接口时，也可以确定泛型结构中的泛型参数。
    • 如果在给泛型类提供子类时，子类也不确定泛型的类型，则可以继续使用泛型参数。
    • 还可以在现有的父类的泛型参数的基础上，新增泛型参数。

注意：

  1. 泛型类可能有多个参数，此时应将多个参数一起放在尖括号内。比如：<E1, E2, E3>
  2. JDK7.0 开始（类型推断）：ArrayList<Fruit> flist = new ArrayList<>();
  3. 如果泛型结构是一个接口或抽象类，则不可创建泛型类的对象。
  4. 不能使用 new E[]，但是可以：E[] elements = (E[]) new Object[capacity];
    • 参考：ArrayList 源码中声明：Object[] elementData，而非泛型参数类型数组。
  5. 在类/接口上声明的泛型，在本类或本接口中即代表某种类型，但不可以在静态方法中使用类的泛型。
  6. 异常类不能是带泛型的。

自定义泛型方法

如果我们定义类、接口时没有使用 <泛型参数>，但是某个方法形参类型不确定时，这个方法可以单独定义 <泛型参数>。

说明：

  • 方法也可以被泛型化，与其所在的类是否是泛型类没有关系。
  • 泛型方法中的泛型参数在方法被调用时确定。
  • 泛型方法可以根据需要，声明为 static 的。

泛型在继承上的体现

如果 B 是 A 的一个子类型（子类或者子接口），而 G 是具有泛型声明的类或接口，G<B> 并不是 G<A> 的子类型！

比如：String 是 Object 的子类，但是 List<String> 并不是 List<Object> 的子类。

题目

思考：对比如下两段代码有何不同？

public void printCollection1(Collection<Object> c) {
    for (Object e: c) {
        System.out.println(e);
    }
}
public void printCollection2(Collection c) {
    Iterator it = c.iterator();
    while (it.hasNext()) {
        System.out.println(it.next());
    }
}

答：

第一段代码使用了泛型，其中方法的参数类型是 Collection<Object>。这意味着该方法只能接受包含 Object 类型元素的集合。在使用时，调用者必须传递一个元素类型为 Object 的集合，否则编译器将报错：

Collection<String> strings = Arrays.asList("A", "B", "C");
printCollection1(strings); // 编译错误，不能传递 Collection<String> 给 printCollection 方法

第二段代码使用了原始类型，其中方法的参数类型是 Collection，没有指定具体的元素类型。这意味着该方法可以接受包含任意类型元素的集合。在使用时，可以传递任何类型的集合给该方法，但在方法内部处理元素时需要小心，因为元素类型是未知的：

Collection<String> strings = Arrays.asList("A", "B", "C");
printCollection2(strings); // 可以正常调用

总的来说，第一段代码使用了泛型，提供了更强的类型检查，可以在编译时捕获一些类型错误。而第二段代码使用了原始类型，灵活性更大，但在某些情况下可能导致运行时类型错误。在通常情况下，推荐使用第一段代码的方式，因为它更安全并且可以提供更好的代码可读性。

增强 for 循环和迭代器时一样的

通配符的使用

当我们声明一个变量/形参时，这个变量/形参的类型是一个泛型类或泛型接口，例如：Comparator<T> 类型，但是我们仍然无法确定这个泛型类或泛型接口的类型变量 <T> 的具体类型，此时我们考虑使用类型通配符 ?。

通配符的理解

使用类型通配符：?

比如：List<?>、Map<?,?>

List<?> 是 List<String>、List<Object> 等各种泛型 List 的父类。

通配符的读与写

写操作

将任意元素加入到其中不是类型安全的

Collection<?> c = new ArrayList<String>();
 
c.add(new Object()); // 编译时错误

因为我们不知道 c 的元素类型，我们不能向其中添加对象。add 方法有类型参数 E 作为集合的元素类型。我们传给 add 的任何参数都必须是一个未知类型的子类。因为我们不知道那是什么类型，所以我们无法传任何东西进去。

唯一可以插入的元素是 null，因为它是所有引用类型的默认值。

读操作

另一方面，读取 List<?> 的对象 list 中的元素时，永远是安全的，因为不管 list 的真实类型是什么，它包含的都是 Object。

举例：

public static void main(String[] args) {
    List<?> list = null;
    list = new ArrayList<String>();
    list = new ArrayList<Double>();
    // list.add(3); // 编译不通过
    list.add(null);
 
    List<String> l1 = new ArrayList<String>();
    List<Integer> l2 = new ArrayList<Integer>();
    l1.add("尚硅谷");
    l2.add(15);
    read(l1);
    read(l2);
}
 
public static void read(List<?> list) {
    for (Object o : list) {
        System.out.println(o);
    }
}

使用注意点

注意点 1：编译错误，不能用在泛型方法声明上；返回值类型前面 <> 不能使用 ?

// 错误
public static <?> void test(ArrayList<?> list){
}

注意点 2：编译错误，不能用在泛型类的声明上

// 错误
class GenericTypeClass<?> {
}

注意点 3：编译错误，不能用在创建对象上，右边属于创建集合对象

// 错误                            ⬇️
ArrayList<?> list2 = new ArrayList<?>();

有限制的通配符

  • <?>
    • 允许所有泛型的引用调用
  • 通配符指定上限：<? extends 类/接口>
    • 使用时指定的类型必须是继承某个类，或者实现某个接口，即 <=
  • 通配符指定下限：<? super 类/接口>
    • 使用时指定的类型必须是操作的类或接口，或者是操作的类的父类或接口的父接口，即 >=

说明：

<? extends Number> // (无穷小, Number]
// 只允许泛型为 Number 及 Number 子类的引用调用
 
<? super Number> // [Number, 无穷大)
// 只允许泛型为 Number 及 Number 父类的引用调用
 
<? extends Comparable>
// 只允许泛型为实现 Comparable 接口的实现类的引用调用

举例 1：

class Creature {}
class Person extends Creature{}
class Man extends Person {}
 
class PersonTest {
    public static <T extends Person> void test(T t) {
        System.out.println(t);
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        test(new Person());
        test(new Man());
        // test(new Creature()); // 错误
    }
}

举例 2：

public static void getElement1(Collection<? extends Number> coll) {}
public static void getElement2(Collection<? super Number> coll) {}
 
public static void main(String[] args) {
    Collection<Integer> list1 = new ArrayList<Integer>();
    Collection<String> list2 = new ArrayList<String>();
    Collection<Number> list3 = new ArrayList<Number>();
    Collection<Object> list4 = new ArrayList<Object>();
    
    getElement1(list1);
    getElement1(list2); // 报错
    getElement1(list3);
    getElement1(list4); // 报错
  
    getElement2(list1); // 报错
    getElement2(list2); // 报错
    getElement2(list3);
    getElement2(list4);
}

举例 3：

public static void printCollection1(Collection<? extends Person> coll) {
    // Iterator 只能用 Iterator<?> 或 Iterator<? extends Person>
    Iterator<?> iterator = coll.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        Person per = iterator.next();
        System.out.println(per);
    }
}
 
public static void printCollection2(Collection<? super Person> coll) {
    // Iterator 只能用 Iterator<?> 或 Iterator<? super Person>
    Iterator<?> iterator = coll.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        Object obj = iterator.next();
        System.out.println(obj);
    }
}

举例 4：

@Test
public void test1() {
    List<Person> list2 = new ArrayList<Person>();
    List<? extends Person> list4 = null;
 
    list2.add(new Person());
    list4 = list2;
 
    // 读取：可以读
    Person p1 = list4.get(0);
 
    // 写入：除了 null 之外，不能写入
    list4.add(null);
    // list4.add(new Person());
    // list4.add(new Student());
}
 
@Test
public void test2() {
    List<Person> list2 = new ArrayList<Person>();
    List<? super Person> list5 = null;
 
    list2.add(new Person());
    list5 = list2;
 
    // 读取：可以实现
    Object obj = list5.get(0);
 
    // 写入：可以写入 Person 及 Person 子类的对象
    list5.add(new Person());
    list5.add(new Student());
}

关系图谱