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Java泛型大全

2019-08-07    
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Java泛型大全，大牛泣血总结，小白入门一篇文章就够了

 

 

引言

 

泛型是JAVA中一个非常重要的知识点，在Java集合类框架中泛型被广泛应用。本文我们将从零开始来看一下Java泛型的设计，将会涉及到通配符处理，以及让人苦恼的类型擦除。

作者: ZiWenXie http://www.ziwenxie.site/2017/03/01/java-generic/

泛型基础

 

泛型类

 

我们首先定义一个简单的Box类：

public class Box {
 private String object;
 public void set(String object) { this.object = object; }
 public String get() { return object; }
}

这是最常见的做法，这样做的一个坏处是Box里面现在只能装入String类型的元素，今后如果我们需要装入Integer等其他类型的元素，还必须要另外重写一个Box，代码得不到复用，使用泛型可以很好的解决这个问题。

public class Box<T> { 
 private T t;
 public void set(T t) { this.t = t; }
 public T get() { return t; }
}

这样我们的Box类便可以得到复用，我们可以将T替换成任何我们想要的类型：

Box<Integer> integerBox = new Box<Integer>();
Box<Double> doubleBox = new Box<Double>();
Box<String> stringBox = new Box<String>();

泛型方法

 

看完了泛型类，接下来我们来了解一下泛型方法。声明一个泛型方法很简单，只要在返回类型前面加上一个类似的形式就行了：

public class Util {
 public static <K, V> boolean compare(Pair<K, V> p1, Pair<K, V> p2) {
 return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
 p1.getValue().equals(p2.getValue());
 }
}
public class Pair<K, V> {
 private K key;
 private V value;
 public Pair(K key, V value) {
 this.key = key;
 this.value = value;
 }
 public void setKey(K key) { this.key = key; }
 public void setValue(V value) { this.value = value; }
 public K getKey() { return key; }
 public V getValue() { return value; }
}

我们可以像下面这样去调用泛型方法：

Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "Apple");
Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.<
Integer, String>compare(p1, p2);

或者在Java1.7/1.8利用type inference，让Java自动推导出相应的类型参数：

Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.compare(p1, p2);

边界符

现在我们要实现这样一个功能，查找一个泛型数组中大于某个特定元素的个数，我们可以这样实现：

public static <T> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
 int count = 0;
 for (T e :anArray)
 if (e > elem)
 ++count;
 return count;
}

但是这样很明显是错误的，因为除了short, int, double, long, float, byte, char等原始类型，其他的类并不一定能使用操作符>，所以编译器报错，那怎么解决这个问题呢？答案是使用边界符。

public interface Comparable<T> {
 public int compareTo(T o);
}

做一个类似于下面这样的声明，这样就等于告诉编译器类型参数T代表的都是实现了Comparable接口的类，这样等于告诉编译器它们都至少实现了compareTo方法。

public
 
static
 <T 
extends
 
Comparable
<T>> 
int
 countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
 
int
 count = 
0
;
 
for
 (T e :anArray)
 
if
 (e.compareTo(elem) > 
0
)
 ++count;
 
return
 count;
}

 

通配符

 

在了解通配符之前，我们首先必须要澄清一个概念，还是借用我们上面定义的Box类，假设我们添加一个这样的方法：

public
 
void
 boxTest(
Box
<
Number
> n) { }

那么现在Box n允许接受什么类型的参数？我们是否能够传入Box或者Box呢？答案是否定的，虽然Integer和Double是Number的子类，但是在泛型中Box或者Box与Box之间并没有任何的关系。这一点非常重要，接下来我们通过一个完整的例子来加深一下理解。面试官问：Java中的锁有哪些？我跪了……

首先我们先定义几个简单的类，下面我们将用到它：

class
 
Fruit
 {}
public
 
class
 
GenericReading
 {
 
static
 
List
<
Apple
> apples = 
Arrays
.asList(
new
 
Apple
());
 
static
 
List
<
Fruit
> fruit = 
Arrays
.asList(
new
 
Fruit
());
 
static
 
class
 
Reader
<T> {
 T readExact(
List
<T> list) {
 
return
 list.
get
(
0
);
 }
 }
 
static
 
void
 f1() {
static
 
class
 
CovariantReader
<T> {
 T readCovariant(
List
<?
extends
 T> list) {
 
return
 list.
get
(
0
);
 }
}
static
 
void
 f2() {
 
CovariantReader
<
Fruit
> fruitReader = 
new
 
CovariantReader
<
Fruit
>();
 
Fruit
 f = fruitReader.readCovariant(fruit);
 
Fruit
 a = fruitReader.readCovariant(apples);
}
public
 
static
 
void
 main(
String
[] args) {
 f2();
}

这样就相当与告诉编译器， fruitReader的readCovariant方法接受的参数只要是满足Fruit的子类就行(包括Fruit自身)，这样子类和父类之间的关系也就关联上了。

PECS原则

 

上面我们看到了类似的用法，利用它我们可以从list里面get元素，那么我们可不可以往list里面add元素呢？我们来尝试一下：

public
 
class
 
GenericsAndCovariance
 {
 
public
 
static
 
void
 main(
String
[] args) {
 
List
<?
extends
 
Fruit
> flist = 
new
 
ArrayList
<
Apple
>();
 flist.add(
null
);
 
Fruit
 f = flist.
get
(
0
);
 }
}

答案是否定，Java编译器不允许我们这样做，为什么呢？对于这个问题我们不妨从编译器的角度去考虑。因为Listflist它自身可以有多种含义：

List
<?
extends
 
Fruit
> flist = 
new
 
ArrayList
<
Fruit
>();
List
<?
extends
 
Fruit
> flist = 
new
 
ArrayList
<
Apple
>();
List
<?
extends
 
Fruit
> flist = 
new
 
ArrayList
<
Orange
>();

当我们尝试add一个Apple的时候，flist可能指向new ArrayList();

当我们尝试add一个Orange的时候，flist可能指向new ArrayList();

当我们尝试add一个Fruit的时候，这个Fruit可以是任何类型的Fruit，而flist可能只想某种特定类型的Fruit，编译器无法识别所以会报错。华为 Java 编程军规，牛逼！

所以对于实现了的集合类只能将它视为Producer向外提供(get)元素，而不能作为Consumer来对外获取(add)元素。

如果我们要add元素应该怎么做呢？可以使用：

public
 
class
 
GenericWriting
 {
 
static
 
List
<
Apple
> apples = 
new
 
ArrayList
<
Apple
>();
 
static
 
List
<
Fruit
> fruit = 
new
 
ArrayList
<
Fruit
>();
 
static
 <T> 
void
 writeExact(
List
<T> list, T item) {
 list.add(item);
 }
 
static
 
void
 f1() {
 writeExact(apples, 
new
 
Apple
());
 writeExact(fruit, 
new
 
Apple
());
 }
 
static
 <T> 
void
 writeWithWildcard(
List
<?
super
 T> list, T item) {
 list.add(item)
 }
 
static
 
void
 f2() {
 writeWithWildcard(apples, 
new
 
Apple
());
 writeWithWildcard(fruit, 
new
 
Apple
());
 }
 
public
 
static
 
void
 main(
String
[] args) {
 f1(); f2();
 }
}

这样我们可以往容器里面添加元素了，但是使用super的坏处是以后不能get容器里面的元素了，原因很简单，我们继续从编译器的角度考虑这个问题，对于List list，它可以有下面几种含义：

List
<?
super
 
Apple
> list = 
new
 
ArrayList
<
Apple
>();
List
<?
super
 
Apple
> list = 
new
 
ArrayList
<
Fruit
>();
List
<?
super
 
Apple
> list = 
new
 
ArrayList
<
Object
>();

当我们尝试通过list来get一个Apple的时候，可能会get得到一个Fruit，这个Fruit可以是Orange等其他类型的Fruit。

根据上面的例子，我们可以总结出一条规律，”Producer Extends, Consumer Super”：

“Producer Extends” – 如果你需要一个只读List，用它来produce T，那么使用? extends T。

“Consumer Super” – 如果你需要一个只写List，用它来consume T，那么使用? super T。

如果需要同时读取以及写入，那么我们就不能使用通配符了。

如何阅读过一些Java集合类的源码，可以发现通常我们会将两者结合起来一起用，比如像下面这样：

public
 
class
 
Collections
 {
 
public
 
static
 <T> 
void
 copy(
List
<?
super
 T> dest, 
List
<?
extends
 T> src) {
 
for
 (
int
 i=
0
; i<src.size(); i++)
 dest.
set
(i, src.
get
(i));
 }
}

 

类型擦除

 

Java泛型中最令人苦恼的地方或许就是类型擦除了，特别是对于有C++经验的程序员。类型擦除就是说Java泛型只能用于在编译期间的静态类型检查，然后编译器生成的代码会擦除相应的类型信息，这样到了运行期间实际上JVM根本就知道泛型所代表的具体类型。这样做的目的是因为Java泛型是1.5之后才被引入的，为了保持向下的兼容性，所以只能做类型擦除来兼容以前的非泛型代码。对于这一点，如果阅读Java集合框架的源码，可以发现有些类其实并不支持泛型。别乱打日志了，这才是正确的打日志姿势！

说了这么多，那么泛型擦除到底是什么意思呢？我们先来看一下下面这个简单的例子：

public
 
class
 
Node
<T> {
 
private
 T data;
 
private
 
Node
<T> 
next
;
 
public
 
Node
(T data, 
Node
<T> 
next
) {
 
this
.data = data;
 
this
.
next
 = 
next
;
 }
 
public
 T getData() { 
return
 data; }
}

编译器做完相应的类型检查之后，实际上到了运行期间上面这段代码实际上将转换成：

public
 
class
 
Node
 {
 
private
 
Object
 data;
 
private
 
Node
 
next
;
 
public
 
Node
(
Object
 data, 
Node
 
next
) {
 
this
.data = data;
 
this
.
next
 = 
next
;
 }
 
public
 
Object
 getData() { 
return
 data; }
}

这意味着不管我们声明Node还是Node，到了运行期间，JVM统统视为Node。有没有什么办法可以解决这个问题呢？这就需要我们自己重新设置bounds了，将上面的代码修改成下面这样：

public
 
class
 
Node
<T 
extends
 
Comparable
<T>> {
 
private
 T data;
 
private
 
Node
<T> 
next
;
 
public
 
Node
(T data, 
Node
<T> 
next
) {
 
this
.data = data;
 
this
.
next
 = 
next
;
 }
 
public
 T getData() { 
return
 data; }
}

这样编译器就会将T出现的地方替换成Comparable而不再是默认的Object了：

public
 
class
 
Node
 {
 
private
 
Comparable
 data;
 
private
 
Node
 
next
;
 
public
 
Node
(
Comparable
 data, 
Node
 
next
) {
 
this
.data = data;
 
this
.
next
 = 
next
;
 }
 
public
 
Comparable
 getData() { 
return
 data; }
}

上面的概念或许还是比较好理解，但其实泛型擦除带来的问题远远不止这些，接下来我们系统地来看一下类型擦除所带来的一些问题，有些问题在C++的泛型中可能不会遇见，但是在Java中却需要格外小心。

问题一

在Java中不允许创建泛型数组，类似下面这样的做法编译器会报错：

List
<
Integer
>[] arrayOfLists = 
new
 
List
<
Integer
>[
2
];

为什么编译器不支持上面这样的做法呢？继续使用逆向思维，我们站在编译器的角度来考虑这个问题。

我们先来看一下下面这个例子：

Object
[] strings = 
new
 
String
[
2
];
strings[
0
] = 
"hi"
;
strings[
1
] = 
100
;

对于上面这段代码还是很好理解，字符串数组不能存放整型元素，而且这样的错误往往要等到代码运行的时候才能发现，编译器是无法识别的。接下来我们再来看一下假设Java支持泛型数组的创建会出现什么后果：

Object
[] stringLists = 
new
 
List
<
String
>[];
stringLists[
0
] = 
new
 
ArrayList
<
String
>();
stringLists[
1
] = 
new
 
ArrayList
<
Integer
>();

假设我们支持泛型数组的创建，由于运行时期类型信息已经被擦除，JVM实际上根本就不知道new ArrayList()和new ArrayList()的区别。类似这样的错误假如出现才实际的应用场景中，将非常难以察觉。别乱打日志了，这才是正确的打日志姿势！

如果你对上面这一点还抱有怀疑的话，可以尝试运行下面这段代码：

public
 
class
 
ErasedTypeEquivalence
 {
 
public
 
static
 
void
 main(
String
[] args) {
 
Class
 c1 = 
new
 
ArrayList
<
String
>().getClass();
 
Class
 c2 = 
new
 
ArrayList
<
Integer
>().getClass();
 
System
.
out
.println(c1 == c2);
 }
}

问题二

继续复用我们上面的Node的类，对于泛型代码，Java编译器实际上还会偷偷帮我们实现一个Bridge method。

public
 
class
 
Node
<T> {
 
public
 T data;
 
public
 
Node
(T data) { 
this
.data = data; }
 
public
 
void
 setData(T data) {
 
System
.
out
.println(
"Node.setData"
);
 
this
.data = data;
 }
}
public
 
class
 
MyNode
 
extends
 
Node
<
Integer
> {
 
public
 
MyNode
(
Integer
 data) { 
super
(data); }
 
public
 
void
 setData(
Integer
 data) {
 
System
.
out
.println(
"MyNode.setData"
);
 
super
.setData(data);
 }
}

看完上面的分析之后，你可能会认为在类型擦除后，编译器会将Node和MyNode变成下面这样：

public
 
class
 
Node
 {
 
public
 
Object
 data;
 
public
 
Node
(
Object
 data) { 
this
.data = data; }
 
public
 
void
 setData(
Object
 data) {
 
System
.
out
.println(
"Node.setData"
);
 
this
.data = data;
 }
}
public
 
class
 
MyNode
 
extends
 
Node
 {
 
public
 
MyNode
(
Integer
 data) { 
super
(data); }
 
public
 
void
 setData(
Integer
 data) {
 
System
.
out
.println(
"MyNode.setData"
);
 
super
.setData(data);
 }
}

实际上不是这样的，我们先来看一下下面这段代码，这段代码运行的时候会抛出ClassCastException异常，提示String无法转换成Integer：

MyNode
 mn = 
new
 
MyNode
(
5
);
Node
 n = mn;
n.setData(
"Hello"
);

如果按照我们上面生成的代码，运行到第3行的时候不应该报错(注意我注释掉了第4行)，因为MyNode中不存在setData(String data)方法，所以只能调用父类Node的setData(Object data)方法，既然这样上面的第3行代码不应该报错，因为String当然可以转换成Object了，那ClassCastException到底是怎么抛出的？

实际上Java编译器对上面代码自动还做了一个处理：

class
 
MyNode
 
extends
 
Node
 {
 
public
 
void
 setData(
Object
 data) {
 setData((
Integer
) data);
 }
 
public
 
void
 setData(
Integer
 data) {
 
System
.
out
.println(
"MyNode.setData"
);
 
super
.setData(data);
 }
}

这也就是为什么上面会报错的原因了，setData((Integer) data);的时候String无法转换成Integer。所以上面第2行编译器提示unchecked warning的时候，我们不能选择忽略，不然要等到运行期间才能发现异常。如果我们一开始加上Node n = mn就好了，这样编译器就可以提前帮我们发现错误。

问题三

正如我们上面提到的，Java泛型很大程度上只能提供静态类型检查，然后类型的信息就会被擦除，所以像下面这样利用类型参数创建实例的做法编译器不会通过：

public
 
static
 <E> 
void
 append(
List
<E> list) {
 E elem = 
new
 E();
 list.add(elem);
}

但是如果某些场景我们想要需要利用类型参数创建实例，我们应该怎么做呢？可以利用反射解决这个问题：

public
 
static
 <E> 
void
 append(
List
<E> list, 
Class
<E> cls) 
throws
 
Exception
 {
 E elem = cls.newInstance();
 list.add(elem);
}

我们可以像下面这样调用：

List
<
String
> ls = 
new
 
ArrayList
<>();
append(ls, 
String
.
class
);

实际上对于上面这个问题，还可以采用Factory和Template两种设计模式解决，感兴趣的朋友不妨去看一下Thinking in Java中第15章中关于Creating instance of types(英文版第664页)的讲解，这里我们就不深入了。

问题四

我们无法对泛型代码直接使用instanceof关键字，因为Java编译器在生成代码的时候会擦除所有相关泛型的类型信息，正如我们上面验证过的JVM在运行时期无法识别出ArrayList和ArrayList的之间的区别：

public
 
static
 <E> 
void
 rtti(
List
<E> list) {
 
if
 (list 
instanceof
 
ArrayList
<
Integer
>) {
 }
}
=> { 
ArrayList
<
Integer
>, 
ArrayList
<
String
>, 
LinkedList
<
Character
>, ... }

和上面一样，我们可以使用通配符重新设置bounds来解决这个问题：

public
 
static
 
void
 rtti(
List
<?> list) {
 
if
 (list 
instanceof
 
ArrayList
<?>) {
 }
}

工厂模式

接下来我们利用泛型来简单的实现一下工厂模式，首先我们先声明一个接口Factory：

package
 typeinfo.factory;
public
 
interface
 
Factory
<T> {
 T create();
}

接下来我们来创建几个实体类FuelFilter和AirFilter以及FanBelt和GeneratorBelt。

class
 
Filter
 
extends
 
Part
 {}
class
 
FuelFilter
 
extends
 
Filter
 {
 
public
 
static
 
class
 
Factory
 
implements
 typeinfo.factory.
Factory
<
FuelFilter
> {
 
public
 
FuelFilter
 create() {
 
return
 
new
 
FuelFilter
();
 }
 }
}
class
 
AirFilter
 
extends
 
Filter
 {
 
public
 
static
 
class
 
Factory
 
implements
 typeinfo.factory.
Factory
<
AirFilter
> {
 
public
 
AirFilter
 create() {
 
return
 
new
 
AirFilter
();
 }
 }
}
class
 
Belt
 
extends
 
Part
 {}
class
 
FanBelt
 
extends
 
Belt
 {
 
public
 
static
 
class
 
Factory
 
implements
 typeinfo.factory.
Factory
<
FanBelt
> {
 
public
 
FanBelt
 create() {
 
return
 
new
 
FanBelt
();
 }
 }
}
class
 
GeneratorBelt
 
extends
 
Belt
 {
 
public
 
static
 
class
 
Factory
 
implements
 typeinfo.factory.
Factory
<
GeneratorBelt
> {
 
public
 
GeneratorBelt
 create() {
 
return
 
new
 
GeneratorBelt
();
 }
 }
}

Part类的实现如下，注意我们上面的实体类都是Part类的间接子类。在Part类我们注册了我们上面的声明的实体类。所以以后我们如果要创建相关的实体类的话，只需要在调用Part类的相关方法了。这么做的一个好处就是如果的业务中出现了CabinAirFilter或者PowerSteeringBelt的话，我们不需要修改太多的代码，只需要在Part类中将它们注册即可。老大难的空指针，如何优雅处理？

class
 
Part
 {
 
static
 
List
<
Factory
<?
extends
 
Part
>> partFactories =
 
new
 
ArrayList
<
Factory
<?
extends
 
Part
>>();
 
static
 {
 partFactories.add(
new
 
FuelFilter
.
Factory
());
 partFactories.add(
new
 
AirFilter
.
Factory
());
 partFactories.add(
new
 
FanBelt
.
Factory
());
 partFactories.add(
new
 
PowerSteeringBelt
.
Factory
());
 }
 
private
 
static
 
Random
 rand = 
new
 
Random
(
47
);
 
public
 
static
 
Part
 createRandom() {
 
int
 n = rand.nextInt(partFactories.size());
 
return
 partFactories.
get
(n).create();
 }
 
public
 
String
 toString() {
 
return
 getClass().getSimpleName();
 }
}

最后我们来测试一下：

public class RegisteredFactories {
 public static
 void main(String[] args) {
 for (int i = 0; i < 10; i++) {
 
System.out.println(Part.createRandom());
 }
 }
}

 

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