Java 泛型详解

Java

一、泛型本质

Java 泛型（generics）是 JDK 5 中引入的一个新特性, 泛型提供了编译时类型安全检测机制，该机制允许程序员在编译时检测到非法的类型。

泛型是一种把明确类型的工作推迟到创建对象或者调用方法的时候才去明确的特殊的类型。泛型的本质是参数化类型，即给类型指定一个参数，然后在使用时再指定此参数具体的值，那样这个类型就可以在使用时决定了。这种参数类型可以用在类、接口和方法中，分别被称为泛型类、泛型接口、泛型方法。

注意:一般在创建对象时，将未知的类型确定具体的类型。当没有指定泛型时，默认类型为Object类型。

二、泛型的优点

泛型的好处是在编译的时候检查类型安全，并且所有的强制转换都是自动和隐式的，提高代码的重用率。

保证了类型的安全性

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，如果不小心插入了错误的类型对象，在运行时的转换处理就会出错。

比如：没有泛型的情况下使用集合：

public static void noGeneric() {
	ArrayList names = new ArrayList();
	names.add("mikechen的互联网架构");
	names.add(123); //编译正常
}

有泛型的情况下使用集合：

public static void useGeneric() {
	ArrayList<String> names = new ArrayList<>();
	names.add("mikechen的互联网架构");
	names.add(123); //编译不通过
}

有了泛型后，定义好的集合names在编译的时候add(123)就会编译不通过。

相当于告诉编译器每个集合接收的对象类型是什么，编译器在编译期就会做类型检查，告知是否插入了错误类型的对象，使得程序更加安全，增强了程序的健壮性。

消除强制转换

泛型的一个附带好处是，消除源代码中的许多强制类型转换，这使得代码更加可读，并且减少了出错机会。
还是举例说明，以下没有泛型的代码段需要强制转换：

List list = new ArrayList(); list.add("hello"); String s = (String) list.get(0);

当重写为使用泛型时，代码不需要强制转换：

List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("hello");
String s = list.get(0); // no cast

避免了不必要的装箱、拆箱操作，提高程序的性能

在非泛型编程中，将筒单类型作为Object传递时会引起Boxing（装箱）和Unboxing（拆箱）操作，这两个过程都是具有很大开销的。引入泛型后，就不必进行Boxing和Unboxing操作了，所以运行效率相对较高，特别在对集合操作非常频繁的系统中，这个特点带来的性能提升更加明显。

泛型变量固定了类型，使用的时候就已经知道是值类型还是引用类型，避免了不必要的装箱、拆箱操作。

object a=1;//由于是object类型，会自动进行装箱操作。
 
int b=(int)a;//强制转换，拆箱操作。这样一去一来，当次数多了以后会影响程序的运行效率。

使用泛型之后

public static T GetValue<T>(T a)
 
{
　　return a;
}
 
public static void Main()
 
{
　　int b=GetValue<int>(1);//使用这个方法的时候已经指定了类型是int，所以不会有装箱和拆箱的操作。
}

提高了代码的重用性

三、泛型的使用

泛型有三种使用方式，分别为：泛型类、泛型方法、泛型接口。将数据类型作为参数进行传递。

泛型类

泛型类型用于类的定义中，被称为泛型类。通过泛型可以完成对一组类的操作对外开放相同的接口。最典型的就是各种集合框架容器类，如：List、Set、Map。

泛型类的定义格式

修饰符 class 类名<代表泛型的变量>

注意事项：泛型类型必须是引用类型（非基本数据类型）

定义泛型类，在类名后添加一对尖括号，并在尖括号中填写类型参数，参数可以有多个，多个参数使用逗号分隔：

public class GenericClass<ab,a,c> {}

当然，这个后面的参数类型也是有规范的，不能像上面一样随意，通常类型参数我们都使用大写的单个字母表示：

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

示例

/**
 * @param <T> 这里解释下<T>中的T:
 *           此处的T可以随便写为任意标识，常见的有T、E等形式的参数表示泛型
 *           泛型在定义的时候不具体，使用的时候才变得具体。
 *           在使用的时候确定泛型的具体数据类型。即在创建对象的时候确定泛型。
 */
public class GenericsClassDemo<T> {
    //t这个成员变量的类型为T,T的类型由外部指定
    private T t;
    //泛型构造方法形参t的类型也为T，T的类型由外部指定
    public GenericsClassDemo(T t) {
        this.t = t;
    }
    //泛型方法getT的返回值类型为T，T的类型由外部指定
    public T getT() {
        return t;
    }
}

测试类：

//TODO 1:泛型类  
GenericsClassDemo<String> name = new GenericsClassDemo<>("你好！白梓墨");  
System.out.println(name.getT());  
  
GenericsClassDemo<Integer> number = new GenericsClassDemo<>(123);  
System.out.println(number.getT());

运行结果：

泛型在定义的时候不具体，使用的时候才变得具体。在使用的时候确定泛型的具体数据类型。即：在创建对象的时候确定泛型。

例如：Generic<String> genericString = new Generic<String>("helloGenerics");

此时，泛型标识T的类型就是String类型，那我们之前写的类就可以这么认为：

public class GenericsClassDemo<String> {
    private String t;
    public GenericsClassDemo(String t) {
        this.t = t;
    }
    public String getT() {
        return t;
    }
}

当你的泛型类型想变为Integer类型时，也是很方便的。直接在创建时，T写为Integer类型即可：
Generic<Integer> genericInteger = new Generic<Integer>(666);

注意：定义的泛型类，就一定要传入泛型类型实参么？

并不是这样，在使用泛型的时候如果传入泛型实参，则会根据传入的泛型实参做相应的限制，此时泛型才会起到本应起到的限制作用。如果不传入泛型类型实参的话，在泛型类中使用泛型的方法或成员变量定义的类型可以为任何的类型。即跟之前的经典案例一样，没有写ArrayList的泛型类型，容易出现类型强转的问题。

泛型方法

泛型方法，是在调用方法的时候指明泛型的具体类型。

定义格式

修饰符 <代表泛型的变量> 返回值类型方法名(参数)

示例

/**
 *
 * @param t 传入泛型的参数
 * @param <T> 泛型的类型
 * @return T 返回值为T类型
 * 说明：
 *   1）public 与 返回值中间<T>非常重要，可以理解为声明此方法为泛型方法。
 *   2）只有声明了<T>的方法才是泛型方法，泛型类中的使用了泛型的成员方法并不是泛型方法。
 *   3）<T>表明该方法将使用泛型类型T，此时才可以在方法中使用泛型类型T。
 *   4）与泛型类的定义一样，此处T可以随便写为任意标识，常见的如T、E等形式的参数常用于表示泛型。
 */
public <T> T genercMethod(T t){
	System.out.println(t.getClass());
	System.out.println(t);
	return t;
}

调用方法时，确定泛型的类型

public static void main(String[] args) {
    GenericsClassDemo<String> genericString  = new GenericsClassDemo("helloGeneric"); //这里的泛型跟下面调用的泛型方法可以不一样。
    String str = genericString.genercMethod("hello");//传入的是String类型,返回的也是String类型
    Integer i = genericString.genercMethod(123);//传入的是Integer类型,返回的也是Integer类型
}

运行结果：

这里可以看出，泛型方法随着我们的传入参数类型不同，他得到的类型也不同。泛型方法能使方法独立于类而产生变化。

泛型接口

泛型接口与泛型类的定义及使用基本相同。泛型接口常被用在各种类的生产器中。

定义格式

修饰符 interface接口名<代表泛型的变量>

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。当调用fun()方法时，根据传入的实际对象，编译器就会判断出类型形参T所代表的实际类型。

示例

/**
 * 定义一个泛型接口
 */
public interface GenericsInteface<T> {
    public abstract void add(T t); 
}

定义类时确定泛型的类型

public class GenericsImp implements GenericsInteface<String> {
    @Override
    public void add(String s) {
        System.out.println("设置了泛型为String类型");
    }
}

始终不确定泛型的类型，直到创建对象时，确定泛型的类型

public class GenericsImp<T> implements GenericsInteface<T> {
    @Override
    public void add(T t) {
        System.out.println("没有设置类型");
    }
}

确定泛型：

public class GenericsTest {
    public static void main(String[] args) {
        GenericsImp<Integer> gi = new GenericsImp<>();
        gi.add(66);
    }
}

四、泛型通配符

当使用泛型类或者接口时，传递的数据中，泛型类型不确定，可以通过通配符<?>表示。但是一旦使用泛型的通配符后，只能使用Object类中的共性方法，集合中元素自身方法无法使用。

通配符基本使用

泛型的通配符:不知道使用什么类型来接收的时候,此时可以使用?,?表示未知通配符。无边界的通配符的主要作用就是让泛型能够接受未知类型的数据.*
此时只能接受数据,不能往该集合中存储数据。
举个例子大家理解使用即可：

// ？代表可以接收任意类型
// 泛型不存在继承、多态关系,泛型左右两边要一样
//ArrayList<Object> list = new ArrayList<String>();这种是错误的
//泛型通配符?:左边写<?> 右边的泛型可以是任意类型
ArrayList<?> list1 = new ArrayList<Object>();
ArrayList<?> list2 = new ArrayList<String>();
ArrayList<?> list3 = new ArrayList<Integer>();

注意：泛型不存在继承、多态关系,泛型左右两边要一样，jdk1.7后右边的泛型可以省略
而泛型通配符?，右边的泛型可以是任意类型。

泛型通配符?主要应用在参数传递方面

public static void main(String[] args) {
    ArrayList<Integer> list1 = new ArrayList<Integer>();
    test(list1);
    ArrayList<String> list2 = new ArrayList<String>();
    test(list2);
}
public static void test(ArrayList<?> coll){
}

通配符高级使用

之前设置泛型的时候，实际上是可以任意设置的，只要是类就可以设置。但是在JAVA的泛型中可以指定一个泛型的上限和下限。

泛型的上限：
使用固定上边界的通配符的泛型, 就能够接受指定类及其子类类型的数据。
要声明使用该类通配符, 采用<? extends E>的形式, 这里的E就是该泛型的上边界。
注意: 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

格式： 类型名称 <? extends 类 > 对象名称
意义： 只能接收该类型及其子类

泛型的下限：
使用固定下边界的通配符的泛型, 就能够接受指定类及其父类类型的数据.。
要声明使用该类通配符, 采用<? super E>的形式, 这里的E就是该泛型的下边界.。
注意: 你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。

格式： 类型名称 <? super 类 > 对象名称
意义： 只能接收该类型及其父类型

比如：现已知Object类，Animal类，Dog类，Cat类，其中Animal是Dog，Cat的父类

class Animal{}//父类
class Dog extends Animal{}//子类
class Cat extends Animal{}//子类

首先我们先看下，泛型的上限<? extends 类 >：

//        ArrayList<? extends Animal> list = new ArrayList<Object>();//报错
        ArrayList<? extends Animal> list2 = new ArrayList<Animal>();
        ArrayList<? extends Animal> list3 = new ArrayList<Dog>();
        ArrayList<? extends Animal> list4 = new ArrayList<Cat>();

可以看出，泛型的上限只能是该类型的类型及其子类。

我们再来看看泛型的下限<? super 类 >：

        ArrayList<? super Animal> list5 = new ArrayList<Object>();
        ArrayList<? super Animal> list6 = new ArrayList<Animal>();
//        ArrayList<? super Animal> list7 = new ArrayList<Dog>();//报错
//        ArrayList<? super Animal> list8 = new ArrayList<Cat>();//报错

可以看出，泛型的下限只能是该类型的类型及其父类。

一般泛型的上限和下限也是用来参数的传递：

再比如：现已知Object类，String 类，Number类，Integer类，其中Number是Integer的父类

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>();
    getElement(list1);
    getElement(list2);//报错
    getElement(list3);
    getElement(list4);//报错
    getElement2(list1);//报错
    getElement2(list2);//报错
    getElement2(list3);
    getElement2(list4);
}
// 泛型的上限：此时的泛型?，必须是Number类型或者Number类型的子类
public static void getElement1(Collection<? extends Number> coll){}
// 泛型的下限：此时的泛型?，必须是Number类型或者Number类型的父类
public static void getElement2(Collection<? super Number> coll){}
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五、泛型中KTVE的含义
如果果点开JDK中一些泛型类的源码，我们会看到下面这些代码：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{
...
}
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
...
}

上面这些泛型类定义中的泛型参数E、K和V都是什么意思呢？其实这些参数名称是可以任意指定，就想方法的参数名一样可以任意指定，但是我们通常会起一个有意义的名称，让别人一看就知道是什么意思。泛型参数也一样，E一般是指元素，用来集合类中。
常见泛型参数名称有如下：

E： Element (在集合中使用，因为集合中存放的是元素)
T：Type（Java 类）
K： Key（键）
V： Value（值）
N： Number（数值类型）
？：表示不确定的java类型

六、泛型的实现原理

泛型本质是将数据类型参数化，它通过擦除的方式来实现，即编译器会在编译期间「擦除」泛型语法并相应的做出一些类型转换动作。
看一个例子就应该清楚了，例如：

public class Caculate<T> {
private T num;
}

我们定义了一个泛型类，定义了一个属性成员，该成员的类型是一个泛型类型，这个 T 具体是什么类型，我们也不知道，它只是用于限定类型的。

反编译一下这个 Caculate 类：

public class Caculate{
	public Caculate(){}
	private Object num;
}

发现编译器擦除 Caculate 类后面的两个尖括号，并且将 num 的类型定义为 Object 类型。

那么是不是所有的泛型类型都以 Object 进行擦除呢？大部分情况下，泛型类型都会以 Object 进行替换，而有一种情况则不是。那就是使用到了extends和super语法的有界类型，如：

public class Caculate<T extends String> {
private T num;
}

这种情况的泛型类型，num 会被替换为 String 而不再是 Object。

这是一个类型限定的语法，它限定 T 是 String 或者 String 的子类，也就是你构建 Caculate 实例的时候只能限定 T 为 String 或者 String 的子类，所以无论你限定 T 为什么类型，String 都是父类，不会出现类型不匹配的问题，于是可以使用 String 进行类型擦除。

实际上编译器会正常的将使用泛型的地方编译并进行类型擦除，然后返回实例。但是除此之外的是，如果构建泛型实例时使用了泛型语法，那么编译器将标记该实例并关注该实例后续所有方法的调用，每次调用前都进行安全检查，非指定类型的方法都不能调用成功。

实际上编译器不仅关注一个泛型方法的调用，它还会为某些返回值为限定的泛型类型的方法进行强制类型转换，由于类型擦除，返回值为泛型类型的方法都会擦除成 Object 类型，当这些方法被调用后，编译器会额外插入一行 checkcast 指令用于强制类型转换，这一个过程就叫做『泛型翻译』。

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