夯實Java基礎系列13：深刻理解Java中的泛型

時間  2019-11-16
標籤 夯實 java 基礎 系列 深刻 理解 欄目 Java 简体版
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<!-- more -->後端

泛型概述

泛型在java中有很重要的地位，在面向對象編程及各類設計模式中有很是普遍的應用。設計模式

什麼是泛型？爲何要使用泛型？

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，而後調用此方法時傳遞實參。那麼參數化類型怎麼理解呢？顧名思義，就是將類型由原來的具體的類型參數化，相似於方法中的變量參數，此時類型也定義成參數形式（能夠稱之爲類型形參），而後在使用/調用時傳入具體的類型（類型實參）。

泛型的本質是爲了參數化類型（在不建立新的類型的狀況下，經過泛型指定的不一樣類型來控制形參具體限制的類型）。也就是說在泛型使用過程當中，操做的數據類型被指定爲一個參數，這種參數類型能夠用在類、接口和方法中，分別被稱爲泛型類、泛型接口、泛型方法。

一個栗子

一個被舉了無數次的例子：

List arrayList = new ArrayList();
arrayList.add("aaaa");
arrayList.add(100);

for(int i = 0; i< arrayList.size();i++){
    String item = (String)arrayList.get(i);
    Log.d("泛型測試","item = " + item);
}

毫無疑問，程序的運行結果會以崩潰結束：

java.lang.ClassCastException: java.lang.Integer cannot be cast to java.lang.String

ArrayList能夠存聽任意類型，例子中添加了一個String類型，添加了一個Integer類型，再使用時都以String的方式使用，所以程序崩潰了。爲了解決相似這樣的問題（在編譯階段就能夠解決），泛型應運而生。

咱們將第一行聲明初始化list的代碼更改一下，編譯器會在編譯階段就可以幫咱們發現相似這樣的問題。

List<String> arrayList = new ArrayList<String>();
...
//arrayList.add(100); 在編譯階段，編譯器就會報錯

特性

泛型只在編譯階段有效。看下面的代碼：

List<String> stringArrayList = new ArrayList<String>();
List<Integer> integerArrayList = new ArrayList<Integer>();

Class classStringArrayList = stringArrayList.getClass();
Class classIntegerArrayList = integerArrayList.getClass();

if(classStringArrayList.equals(classIntegerArrayList)){
    Log.d("泛型測試","類型相同");
}
經過上面的例子能夠證實，在編譯以後程序會採起去泛型化的措施。也就是說Java中的泛型，只在編譯階段有效。在編譯過程當中，正確檢驗泛型結果後，會將泛型的相關信息擦出，而且在對象進入和離開方法的邊界處添加類型檢查和類型轉換的方法。也就是說，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當作是多個不一樣的類型，實際上都是相同的基本類型。

泛型的使用方式

泛型有三種使用方式，分別爲：泛型類、泛型接口、泛型方法

泛型類

泛型類型用於類的定義中，被稱爲泛型類。經過泛型能夠完成對一組類的操做對外開放相同的接口。最典型的就是各類容器類，如：List、Set、Map。

泛型類的最基本寫法（這麼看可能會有點暈，會在下面的例子中詳解）：

class 類名稱 <泛型標識：能夠隨便寫任意標識號，標識指定的泛型的類型>{
  private 泛型標識 /*（成員變量類型）*/ var; 
  .....

  }

一個最普通的泛型類：

//此處T能夠隨便寫爲任意標識，常見的如T、E、K、V等形式的參數經常使用於表示泛型

//在實例化泛型類時，必須指定T的具體類型
public class Generic<T>{
    //在類中聲明的泛型整個類裏面均可以用，除了靜態部分，由於泛型是實例化時聲明的。
    //靜態區域的代碼在編譯時就已經肯定，只與類相關
    class A <E>{
        T t;
    }
    //類裏面的方法或類中再次聲明同名泛型是容許的，而且該泛型會覆蓋掉父類的同名泛型T
    class B <T>{
        T t;
    }
    //靜態內部類也可使用泛型，實例化時賦予泛型實際類型
    static class C <T> {
        T t;
    }
    public static void main(String[] args) {
        //報錯，不能使用T泛型，由於泛型T屬於實例不屬於類
//        T t = null;
    }

    //key這個成員變量的類型爲T,T的類型由外部指定
    private T key;

    public Generic(T key) { //泛型構造方法形參key的類型也爲T，T的類型由外部指定
        this.key = key;
    }

    public T getKey(){ //泛型方法getKey的返回值類型爲T，T的類型由外部指定
        return key;
    }
}
12-27 09:20:04.432 13063-13063/? D/泛型測試: key is 123456

12-27 09:20:04.432 13063-13063/? D/泛型測試: key is key_vlaue

定義的泛型類，就必定要傳入泛型類型實參麼？並非這樣，在使用泛型的時候若是傳入泛型實參，則會根據傳入的泛型實參作相應的限制，此時泛型纔會起到本應起到的限制做用。若是不傳入泛型類型實參的話，在泛型類中使用泛型的方法或成員變量定義的類型能夠爲任何的類型。

看一個例子：

Generic generic = new Generic("111111");
Generic generic1 = new Generic(4444);
Generic generic2 = new Generic(55.55);
Generic generic3 = new Generic(false);

Log.d("泛型測試","key is " + generic.getKey());
Log.d("泛型測試","key is " + generic1.getKey());
Log.d("泛型測試","key is " + generic2.getKey());
Log.d("泛型測試","key is " + generic3.getKey());

D/泛型測試: key is 111111
D/泛型測試: key is 4444
D/泛型測試: key is 55.55
D/泛型測試: key is false

注意：
泛型的類型參數只能是類類型，不能是簡單類型。
不能對確切的泛型類型使用instanceof操做。以下面的操做是非法的，編譯時會出錯。

if(ex_num instanceof Generic<Number>){   
    }

泛型接口

泛型接口與泛型類的定義及使用基本相同。泛型接口常被用在各類類的生產器中，能夠看一個例子：

//定義一個泛型接口
public interface Generator<T> {
    public T next();
}

當實現泛型接口的類，未傳入泛型實參時：

/**
 * 未傳入泛型實參時，與泛型類的定義相同，在聲明類的時候，需將泛型的聲明也一塊兒加到類中
 * 即：class FruitGenerator<T> implements Generator<T>{
 * 若是不聲明泛型，如：class FruitGenerator implements Generator<T>，編譯器會報錯："Unknown class"
 */
class FruitGenerator<T> implements Generator<T>{
    @Override
    public T next() {
        return null;
    }
}

當實現泛型接口的類，傳入泛型實參時：

/**
 * 傳入泛型實參時：
 * 定義一個生產器實現這個接口,雖然咱們只建立了一個泛型接口Generator<T>
 * 可是咱們能夠爲T傳入無數個實參，造成無數種類型的Generator接口。
 * 在實現類實現泛型接口時，如已將泛型類型傳入實參類型，則全部使用泛型的地方都要替換成傳入的實參類型
 * 即：Generator<T>，public T next();中的的T都要替換成傳入的String類型。
 */
public class FruitGenerator implements Generator<String> {

    private String[] fruits = new String[]{"Apple", "Banana", "Pear"};

    @Override
    public String next() {
        Random rand = new Random();
        return fruits[rand.nextInt(3)];
    }
}

泛型通配符

咱們知道Ingeter是Number的一個子類，同時在特性章節中咱們也驗證過Generic<Ingeter>與Generic<Number>其實是相同的一種基本類型。那麼問題來了，在使用Generic<Number>做爲形參的方法中，可否使用Generic<Ingeter>的實例傳入呢？在邏輯上相似於Generic<Number>和Generic<Ingeter>是否能夠當作具備父子關係的泛型類型呢？

爲了弄清楚這個問題，咱們使用Generic<T>這個泛型類繼續看下面的例子：

public void showKeyValue1(Generic<Number> obj){
    Log.d("泛型測試","key value is " + obj.getKey());
}

Generic<Integer> gInteger = new Generic<Integer>(123);
Generic<Number> gNumber = new Generic<Number>(456);

showKeyValue(gNumber);

// showKeyValue這個方法編譯器會爲咱們報錯：Generic<java.lang.Integer> 
// cannot be applied to Generic<java.lang.Number>
// showKeyValue(gInteger);

經過提示信息咱們能夠看到Generic<Integer>不能被看做爲`Generic<Number>的子類。由此能夠看出:同一種泛型能夠對應多個版本（由於參數類型是不肯定的），不一樣版本的泛型類實例是不兼容的。

回到上面的例子，如何解決上面的問題？總不能爲了定義一個新的方法來處理Generic<Integer>類型的類，這顯然與java中的多臺理念相違背。所以咱們須要一個在邏輯上能夠表示同時是Generic<Integer>和Generic<Number>父類的引用類型。由此類型通配符應運而生。

咱們能夠將上面的方法改一下：

public void showKeyValue1(Generic<?> obj){
    Log.d("泛型測試","key value is " + obj.getKey());

類型通配符通常是使用？代替具體的類型實參，注意， 此處的？和Number、String、Integer同樣都是一種實際的類型，能夠把？當作全部類型的父類。是一種真實的類型。

能夠解決當具體類型不肯定的時候，這個通配符就是 ? ；當操做類型時，不須要使用類型的具體功能時，只使用Object類中的功能。那麼能夠用 ? 通配符來表未知類型

public void showKeyValue(Generic<Number> obj){

System.out.println(obj);
}
Generic<Integer> gInteger = new Generic<Integer>(123);
Generic<Number> gNumber = new Generic<Number>(456);

public void test () {
//        showKeyValue(gInteger);該方法會報錯
    showKeyValue1(gInteger);
}

public void showKeyValue1(Generic<?> obj) {
    System.out.println(obj);
}
// showKeyValue這個方法編譯器會爲咱們報錯：Generic<java.lang.Integer>
// cannot be applied to Generic<java.lang.Number>
// showKeyValue(gInteger);

。

泛型方法

在java中,泛型類的定義很是簡單，可是泛型方法就比較複雜了。

尤爲是咱們見到的大多數泛型類中的成員方法也都使用了泛型，有的甚至泛型類中也包含着泛型方法，這樣在初學者中很是容易將泛型方法理解錯了。
泛型類，是在實例化類的時候指明泛型的具體類型；泛型方法，是在調用方法的時候指明泛型的具體類型 。

/**
 * 泛型方法的基本介紹
 * @param tClass 傳入的泛型實參
 * @return T 返回值爲T類型
 * 說明：
 *     1）public 與 返回值中間<T>很是重要，能夠理解爲聲明此方法爲泛型方法。
 *     2）只有聲明瞭<T>的方法纔是泛型方法，泛型類中的使用了泛型的成員方法並非泛型方法。
 *     3）<T>代表該方法將使用泛型類型T，此時才能夠在方法中使用泛型類型T。
 *     4）與泛型類的定義同樣，此處T能夠隨便寫爲任意標識，常見的如T、E、K、V等形式的參數經常使用於表示泛型。
 */
    public <T> T genericMethod(Class<T> tClass)throws InstantiationException ,
      IllegalAccessException{
            T instance = tClass.newInstance();
            return instance;
    }

Object obj = genericMethod(Class.forName("com.test.test"));

泛型方法的基本用法

光看上面的例子有的同窗可能依然會很是迷糊，咱們再經過一個例子，把我泛型方法再總結一下。

/** 
 * 這纔是一個真正的泛型方法。
 * 首先在public與返回值之間的<T>必不可少，這代表這是一個泛型方法，而且聲明瞭一個泛型T
 * 這個T能夠出如今這個泛型方法的任意位置.
 * 泛型的數量也能夠爲任意多個 
 *    如：public <T,K> K showKeyName(Generic<T> container){
 *        ...
 *        }
 */

    public class 泛型方法 {
    @Test
    public void test() {
        test1();
        test2(new Integer(2));
        test3(new int[3],new Object());

        //打印結果
//        null
//        2
//        [I@3d8c7aca
//        java.lang.Object@5ebec15
    }
    //該方法使用泛型T
    public <T> void test1() {
        T t = null;
        System.out.println(t);
    }
    //該方法使用泛型T
    //而且參數和返回值都是T類型
    public <T> T test2(T t) {
        System.out.println(t);
        return t;
    }

    //該方法使用泛型T,E
    //參數包括T,E
    public <T, E> void test3(T t, E e) {
        System.out.println(t);
        System.out.println(e);
    }
}

​

類中的泛型方法

固然這並非泛型方法的所有，泛型方法能夠出現雜任何地方和任何場景中使用。可是有一種狀況是很是特殊的，當泛型方法出如今泛型類中時，咱們再經過一個例子看一下

//注意泛型類先寫類名再寫泛型，泛型方法先寫泛型再寫方法名
//類中聲明的泛型在成員和方法中可用
class A <T, E>{
    {
        T t1 ;
    }
    A (T t){
        this.t = t;
    }
    T t;

    public void test1() {
        System.out.println(this.t);
    }

    public void test2(T t,E e) {
        System.out.println(t);
        System.out.println(e);
    }
}
@Test
public void run () {
    A <Integer,String > a = new A<>(1);
    a.test1();
    a.test2(2,"ds");
//        1
//        2
//        ds
}

static class B <T>{
    T t;
    public void go () {
        System.out.println(t);
    }
}

泛型方法與可變參數

再看一個泛型方法和可變參數的例子：

public class 泛型和可變參數 {
    @Test
    public void test () {
        printMsg("dasd",1,"dasd",2.0,false);
        print("dasdas","dasdas", "aa");
    }
    //普通可變參數只能適配一種類型
    public void print(String ... args) {
        for(String t : args){
            System.out.println(t);
        }
    }
    //泛型的可變參數能夠匹配全部類型的參數。。有點無敵
    public <T> void printMsg( T... args){
        for(T t : args){
            System.out.println(t);
        }
    }
        //打印結果：
    //dasd
    //1
    //dasd
    //2.0
    //false

}

靜態方法與泛型

靜態方法有一種狀況須要注意一下，那就是在類中的靜態方法使用泛型：靜態方法沒法訪問類上定義的泛型；若是靜態方法操做的引用數據類型不肯定的時候，必需要將泛型定義在方法上。

即：若是靜態方法要使用泛型的話，必須將靜態方法也定義成泛型方法 。

public class StaticGenerator<T> {
    ....
    ....
    /**
     * 若是在類中定義使用泛型的靜態方法，須要添加額外的泛型聲明（將這個方法定義成泛型方法）
     * 即便靜態方法要使用泛型類中已經聲明過的泛型也不能夠。
     * 如：public static void show(T t){..},此時編譯器會提示錯誤信息：
          "StaticGenerator cannot be refrenced from static context"
     */
    public static <T> void show(T t){

    }
}

泛型方法總結

泛型方法能使方法獨立於類而產生變化，如下是一個基本的指導原則：

不管什麼時候，若是你能作到，你就該儘可能使用泛型方法。也就是說，若是使用泛型方法將整個類泛型化，那麼就應該使用泛型方法。另外對於一個static的方法而已，沒法訪問泛型類型的參數。因此若是static方法要使用泛型能力，就必須使其成爲泛型方法。

泛型上下邊界

在使用泛型的時候，咱們還能夠爲傳入的泛型類型實參進行上下邊界的限制，如：類型實參只准傳入某種類型的父類或某種類型的子類。

爲泛型添加上邊界，即傳入的類型實參必須是指定類型的子類型

public class 泛型通配符與邊界 {
    public void showKeyValue(Generic<Number> obj){
        System.out.println("key value is " + obj.getKey());
    }
    @Test
    public void main() {
        Generic<Integer> gInteger = new Generic<Integer>(123);
        Generic<Number> gNumber = new Generic<Number>(456);
        showKeyValue(gNumber);
        //泛型中的子類也沒法做爲父類引用傳入
//        showKeyValue(gInteger);
    }
    //直接使用？通配符能夠接受任何類型做爲泛型傳入
    public void showKeyValueYeah(Generic<?> obj) {
        System.out.println(obj);
    }
    //只能傳入number的子類或者number
    public void showKeyValue1(Generic<? extends Number> obj){
        System.out.println(obj);
    }

    //只能傳入Integer的父類或者Integer
    public void showKeyValue2(Generic<? super Integer> obj){
        System.out.println(obj);
    }

    @Test
    public void testup () {
        //這一行代碼編譯器會提示錯誤，由於String類型並非Number類型的子類
        //showKeyValue1(generic1);
        Generic<String> generic1 = new Generic<String>("11111");
        Generic<Integer> generic2 = new Generic<Integer>(2222);
        Generic<Float> generic3 = new Generic<Float>(2.4f);
        Generic<Double> generic4 = new Generic<Double>(2.56);

        showKeyValue1(generic2);
        showKeyValue1(generic3);
        showKeyValue1(generic4);
    }

    @Test
    public void testdown () {

        Generic<String> generic1 = new Generic<String>("11111");
        Generic<Integer> generic2 = new Generic<Integer>(2222);
        Generic<Number> generic3 = new Generic<Number>(2);
//        showKeyValue2(generic1);本行報錯，由於String並非Integer的父類
        showKeyValue2(generic2);
        showKeyValue2(generic3);
    }
}

== 關於泛型數組要提一下 ==

看到了不少文章中都會提起泛型數組，通過查看sun的說明文檔，在java中是」不能建立一個確切的泛型類型的數組」的。

也就是說下面的這個例子是不能夠的：

List<String>[] ls = new ArrayList<String>[10];  

而使用通配符建立泛型數組是能夠的，以下面這個例子：

List<?>[] ls = new ArrayList<?>[10];  

這樣也是能夠的：

List<String>[] ls = new ArrayList[10];

下面使用Sun的一篇文檔的一個例子來講明這個問題：

List<String>[] lsa = new List<String>[10]; // Not really allowed.    
Object o = lsa;    
Object[] oa = (Object[]) o;    
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();    
li.add(new Integer(3));    
oa[1] = li; // Unsound, but passes run time store check    
String s = lsa[1].get(0); // Run-time error: ClassCastException.
這種狀況下，因爲JVM泛型的擦除機制，在運行時JVM是不知道泛型信息的，因此能夠給oa[1]賦上一個ArrayList而不會出現異常，可是在取出數據的時候卻要作一次類型轉換，因此就會出現ClassCastException，若是能夠進行泛型數組的聲明，上面說的這種狀況在編譯期將不會出現任何的警告和錯誤，只有在運行時纔會出錯。

而對泛型數組的聲明進行限制，對於這樣的狀況，能夠在編譯期提示代碼有類型安全問題，比沒有任何提示要強不少。
下面採用通配符的方式是被容許的:數組的類型不能夠是類型變量，除非是採用通配符的方式，由於對於通配符的方式，最後取出數據是要作顯式的類型轉換的。

List<?>[] lsa = new List<?>[10]; // OK, array of unbounded wildcard type.    
Object o = lsa;    
Object[] oa = (Object[]) o;    
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();    
li.add(new Integer(3));    
oa[1] = li; // Correct.    
Integer i = (Integer) lsa[1].get(0); // OK

最後

本文中的例子主要是爲了闡述泛型中的一些思想而簡單舉出的，並不必定有着實際的可用性。另外，一提到泛型，相信你們用到最多的就是在集合中，其實，在實際的編程過程當中，本身可使用泛型去簡化開發，且能很好的保證代碼質量。

泛型常見面試題

  1. Java中的泛型是什麼 ? 使用泛型的好處是什麼?

這是在各類Java泛型面試中，一開場你就會被問到的問題中的一個，主要集中在初級和中級面試中。那些擁有Java1.4或更早版本的開發背景的人 都知道，在集合中存儲對象並在使用前進行類型轉換是多麼的不方便。泛型防止了那種狀況的發生。它提供了編譯期的類型安全，確保你只能把正確類型的對象放入 集合中，避免了在運行時出現ClassCastException。

  1. Java的泛型是如何工做的 ? 什麼是類型擦除 ?

這是一道更好的泛型面試題。泛型是經過類型擦除來實現的，編譯器在編譯時擦除了全部類型相關的信息，因此在運行時不存在任何類型相關的信息。例如 List<String>在運行時僅用一個List來表示。這樣作的目的，是確保能和Java 5以前的版本開發二進制類庫進行兼容。你沒法在運行時訪問到類型參數，由於編譯器已經把泛型類型轉換成了原始類型。根據你對這個泛型問題的回答狀況，你會 獲得一些後續提問，好比爲何泛型是由類型擦除來實現的或者給你展現一些會致使編譯器出錯的錯誤泛型代碼。請閱讀個人Java中泛型是如何工做的來了解更 多信息。

  1. 什麼是泛型中的限定通配符和非限定通配符 ?

這是另外一個很是流行的Java泛型面試題。限定通配符對類型進行了限制。有兩種限定通配符，一種是<? extends T>它經過確保類型必須是T的子類來設定類型的上界，另外一種是<? super T>它經過確保類型必須是T的父類來設定類型的下界。泛型類型必須用限定內的類型來進行初始化，不然會致使編譯錯誤。另外一方面<?>表 示了非限定通配符，由於<?>能夠用任意類型來替代。更多信息請參閱個人文章泛型中限定通配符和非限定通配符之間的區別。

  1. List<? extends T>和List <? super T>之間有什麼區別 ?

這和上一個面試題有聯繫，有時面試官會用這個問題來評估你對泛型的理解，而不是直接問你什麼是限定通配符和非限定通配符。這兩個List的聲明都是 限定通配符的例子，List<? extends T>能夠接受任何繼承自T的類型的List，而List<? super T>能夠接受任何T的父類構成的List。例如List<? extends Number>能夠接受List<Integer>或List<Float>。在本段出現的鏈接中能夠找到更多信息。

  1. 如何編寫一個泛型方法，讓它能接受泛型參數並返回泛型類型?

編寫泛型方法並不困難，你須要用泛型類型來替代原始類型，好比使用T, E or K,V等被普遍承認的類型佔位符。泛型方法的例子請參閱Java集合類框架。最簡單的狀況下，一個泛型方法可能會像這樣:

public V put(K key, V value) {

return cache.put(key, value);

}

  1. Java中如何使用泛型編寫帶有參數的類?

這是上一道面試題的延伸。面試官可能會要求你用泛型編寫一個類型安全的類，而不是編寫一個泛型方法。關鍵仍然是使用泛型類型來代替原始類型，並且要使用JDK中採用的標準佔位符。

  1. 編寫一段泛型程序來實現LRU緩存?

對於喜歡Java編程的人來講這至關因而一次練習。給你個提示，LinkedHashMap能夠用來實現固定大小的LRU緩存，當LRU緩存已經滿 了的時候，它會把最老的鍵值對移出緩存。LinkedHashMap提供了一個稱爲removeEldestEntry()的方法，該方法會被put() 和putAll()調用來刪除最老的鍵值對。固然，若是你已經編寫了一個可運行的JUnit測試，你也能夠隨意編寫你本身的實現代碼。

  1. 你能夠把List<String>傳遞給一個接受List<Object>參數的方法嗎？

對任何一個不太熟悉泛型的人來講，這個Java泛型題目看起來使人疑惑，由於乍看起來String是一種Object，因此 List<String>應當能夠用在須要List<Object>的地方，可是事實並不是如此。真這樣作的話會致使編譯錯誤。如 果你再深一步考慮，你會發現Java這樣作是有意義的，由於List<Object>能夠存儲任何類型的對象包括String, Integer等等，而List<String>卻只能用來存儲Strings。

List<Object> objectList;

List<String> stringList;

objectList = stringList; //compilation error incompatible types

  1. Array中能夠用泛型嗎?

這多是Java泛型面試題中最簡單的一個了，固然前提是你要知道Array事實上並不支持泛型，這也是爲何Joshua Bloch在Effective Java一書中建議使用List來代替Array，由於List能夠提供編譯期的類型安全保證，而Array卻不能。

  1. 如何阻止Java中的類型未檢查的警告?

若是你把泛型和原始類型混合起來使用，例以下列代碼，Java 5的javac編譯器會產生類型未檢查的警告，例如

List<String> rawList = new ArrayList()

注意: Hello.java使用了未檢查或稱爲不安全的操做;

這種警告可使用@SuppressWarnings(「unchecked」)註解來屏蔽。

參考文章

https://www.cnblogs.com/huaji...
https://www.cnblogs.com/jpfss...
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https://www.cnblogs.com/cat52...
https://www.cnblogs.com/copri...

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