【Core Java】第8章 泛型程序设计

it2022-05-05  120

泛型程序设计

1 什么是泛型2 为什么要使用泛型3 泛型基础泛型类泛型方法泛型接口 4 通配符泛型的上下边界PECS原则 5 类型擦除6 Java泛型使用限制1.Java泛型不能使用基本类型2.Java泛型不允许进行直接实例化3.Java泛型不允许进行静态化4.Java泛型不允许直接进行类型转换(通配符可以)5.Java泛型不允许直接使用instanceof运算符进行运行时类型检查(通配符可以)6.Java泛型不允许创建确切类型的泛型数组(通配符可以)7.Java泛型不允许作为参数进行重载


1 什么是泛型

Java在1.5之后加入了泛型的概念。

泛型,即“参数化类型”。

泛型的本质是为了参数化类型(在不创建新的类型的情况下,通过泛型指定的不同类型来控制形参具体限制的类型)。

也就是说在泛型使用过程中,操作的数据类型被指定为一个参数,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。


2 为什么要使用泛型

在Java SE 1.5之前,没有泛型的情况的下,通过对类型Object的引用来实现参数的“任意化”,“任意化”带来的缺点是要做显式的强制类型转换,而这种转换是要求开发者对实际参数类型可以预知的情况下进行的。对于强制类型转换错误的情况 ,编译器可能不提示错误,在运行的时候才出现异常,这是一个安全隐患。

泛型的好处:使用泛型,首先可以通过IDE进行代码类型初步检查,然后在编译阶段进行编译类型检查,以保证类型转换的安全性;并且所有的强制转换都是自动和隐式的,可以提高代码的重用率。

3 泛型基础

Java泛型有三种使用方式:泛型类、泛型方法、泛型接口。

泛型类

泛型类的语法如下:

class 类名称 <泛型类型标识>{}

例子:

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

这样就能装入很多

Generic<Integer> integerGeneric = new Generic<Integer>(); Generic<Double> doubleGeneric = new Generic<Double>(); Generic<String> stringGeneric = new Generic<String>();

泛型方法

泛型方法的语法如下:

[作用域修饰符] <泛型类型标识> [返回类型] 方法名称(参数列表){}

例子:

public class Util { public static <K, V> boolean compare(Generic<K, V> g1, Generic<K, V> g2) { return g1.getKey().equals(g2.getKey()) && g1.getValue().equals(g2.getValue()); } } public class Generic<K, V> { private K key; private V value; public Generic(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; } }

调用:

Generic<Integer, String> g1 = new Generic<>(1, "apple"); Generic<Integer, String> g2 = new Generic<>(2, "pear"); boolean same = Util.<Integer, String>compare(g1, g2);

在Java1.7之后,编译器可以通过type inference(类型推导),根据实参的类型自动推导出相应参数的类型,可以缩写成这样:

boolean same = Util.compare(g1, g2);

例外

比如Double类型的,但是后面传进去一个Double,两个Integer,那么就会找这些类的共同超类,Number和Comparable接口,其本身也是一个泛型,这种情况下,补救措施就是所有参数都是double

类型变量的限定

<T extends Class A, ClassB & InterfaceA, InterfaceB>

这里不管接口还是类都用extends,因为T表示绑定类型的子类型(subtype)

泛型接口

泛型接口的语法如下:

public interface Generator<T> { public T next(); }

当实现泛型接口的类,未给泛型传入实参时:

class FruitGenerator<T> implements Generator<T>{ @Override public T next() { return null; } }

未传入泛型实参时,与泛型类的定义相同

在声明类的时候,需将泛型的声明也一起加到类中。 即:class FruitGenerator<T> implements。我们可以为T传入任意一种实参,形成无数种类型的Generator接口。 如果不声明泛型,如:class FruitGenerator implements Generator<T>,编译器会报错:“Unknown class”。

当实现泛型接口的类,给泛型传入了实参时:

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)]; } }

如果类已经将泛型类型传入实参类型,则所有使用泛型的地方都要替换成传入的实参类型。即:Generator,public T next();中的的T都要替换成传入的String类型。

4 通配符

用Generic<Number>作为形参的方法中,能否使用Generic<Ingeter>的实例传入呢?

不行!!!

这就尴尬了,和Java多态冲突。

所以

public void showKeyValue(Generic<?> obj){ System.out.println("泛型测试,value is " + obj.get()); }

这里Generic<?>是个无界通配符,任意类型都能传入

泛型的上下边界

在Java泛型定义时: 用<T>等大写字母标识泛型类型,用于表示未知类型。 用<T extends ClassA & InterfaceB …>等标识有界泛型,用于表示有边界的类型。

在Java泛型实例化时: 用<?>标识通配符,用于表示实例化时的类型。 用<? extends 父类型>标识上边界通配符,用于表示实例化时可以确定父类型的类型。 用<? super 子类型>标识下边界通配符,用于表示实例化时可以确定子类型的类型。 对上面的Generic类增加一个新方法:

public void showKeyValue1(Generic<? extends Number> obj){ System.out.println("泛型测试,value is " + obj.get()); }

表示是Number的一个子类泛型,可以是Number类,也可以是Number的子类

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); //这一行代码编译器会提示错误,因为String类型并不是Number类型的子类 showKeyValue1(generic1); showKeyValue1(generic2); showKeyValue1(generic3); showKeyValue1(generic4);

我们把泛型类的定义也修改

public class Generic<T extends Number>{ private T key; public Generic(T key) { this.key = key; } public T getKey(){ return key; } } //这一行代码也会报错,因为String不是Number的子类 Generic<String> generic1 = new Generic<String>("11111");

泛型的上下边界添加,必须与泛型的声明在一起 。

PECS原则

首先我们先定义几个简单的类,下面我们将用到它:

class Fruit {} class Apple extends Fruit {} class Orange extends Fruit {}

然后定义一个主类:

public class Generics { public static void main(String[] args) { // 通过通配符申明一个List List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>(); // Compile Error: can't add any type of object: // flist.add(new Apple()) // flist.add(new Orange()) // flist.add(new Fruit()) // flist.add(new Object()) flist.add(null); // Legal but uninteresting // We Know that it returns at least Fruit: Fruit f = flist.get(0); } }

对于上面的flist,Java编译器不允许我们add任何对象,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List<? extends Fruit> flist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<Orange>();

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

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。

所以对于实现了<? extends T>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<? super T>:

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后不能从容器里面get元素了,从编译器的角度考虑这个问题,对于List<? super Apple> 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。

所以对于实现了<? super T>的集合类只能将它视为Consumer消费(add)元素,而不能作为Producer来对外获取(get)元素。 在Java的集合类中,我们可以发现通常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)); } }

总结 <? extends T>只出不进 <? super T>只进不出

5 类型擦除

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。 泛型擦除到底是什么,来看一个简单的例子:

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<Integer>,到了运行期间,JVM统统视为Node<Object>。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; } // ... }

6 Java泛型使用限制

Java泛型由于类型擦除的存在,会存在一些使用限制:

1.Java泛型不能使用基本类型

使用基本类型的泛型会编译报错,代码如下:

List<int> list = new List<int>();// 编译前类型检查报错

2.Java泛型不允许进行直接实例化

错误代码如下:

<T> void test(T t){ t = new T();//编译前类型检查报错 } 通过类型擦除,上面的泛型方法会转换为如下的原始方法: void test(Object t){ t = new Object(); }

实例化的两种方法:

1. 通过集合来保存泛型对应的实例

public class DbHelper { private static final DbHelper instance; static { instance = new DbHelper(); } private DbHelper() { } private Map<Class<?>, ChangedListener> changedListeners = new HashMap<>(); public <Model extends BaseModel> ChangedListener getListener(Class<Model> modelClass) { if (changedListeners.containsKey(modelClass)) { return changedListeners.get(modelClass); } return null; } public <Model extends BaseModel> void addChangedListener(final Class<Model> tClass, ChangedListener<Model> listener) { ChangedListener changedListener = getListener(tClass); // 添加到中的Map changedListeners.put(tClass, changedListener); } public interface ChangedListener<Data extends BaseModel> { void onDataSave(Data... list); void onDataDelete(Data... list); } }

2. 通过反射来实例化泛型类型

public class GenericInstance { public static <T> T createModelInstance(Class<T> tClass) { try { // 获取直接父类的类型Type Type superClass = tClass.getGenericSuperclass(); // 调用getActualTypeArguments()方法获得实际绑定的类型 Type type = ((ParameterizedType) superClass).getActualTypeArguments()[0]; Class<?> clazz = getRawType(type); return (T) clazz.newInstance(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } return null; } // type不能直接实例化对象,通过type获取class的类型,然后实例化对象 private static Class<?> getRawType(Type type) { if (type instanceof Class) { return (Class) type; } else if (type instanceof ParameterizedType) { ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) type; Type rawType = parameterizedType.getRawType(); return (Class) rawType; } else if (type instanceof GenericArrayType) { Type componentType = ((GenericArrayType) type).getGenericComponentType(); return Array.newInstance(getRawType(componentType), 0).getClass(); } else if (type instanceof TypeVariable) { return Object.class; } else if (type instanceof WildcardType) { return getRawType(((WildcardType) type).getUpperBounds()[0]); } else { String className = type == null ? "null" : type.getClass().getName(); throw new IllegalArgumentException("Expected a Class, ParameterizedType, or GenericArrayType, but <" + type + "> is of type " + className); } } }

为了防止此类类型转换错误的发生,Java禁止进行泛型实例化。

3.Java泛型不允许进行静态化

参考下面的代码:

class StaticGeneric<T>{ private static T t;// 编译前类型检查报错 public static T getT() {// 编译前类型检查报错 return t; } }

静态变量在类中共享,而泛型类型是不确定的,因此编译器无法确定要使用的类型,所以不允许进行静态化。

4.Java泛型不允许直接进行类型转换(通配符可以)

List<Integer> integerList = new ArrayList<Integer>(); List<Double> doubleList = new ArrayList<Double>(); //不能直接进行类型转换,类型检查报错 integerList = doubleList;

虽然在编译期间integerList与doubleList都会经过类型擦除,但是这种类型转换违反了Java泛型降低类型转换安全隐患的设计初衷。当integerList中存储Interge元素,而doubleList中存储Double元素时,如果不限制类型转换,很容易产生ClassCastException异常。 但是通配符有可以实现:

<!--List<Integer> integerList = new ArrayList<Integer>();--> <!--List<Double> doubleList = new ArrayList<Double>();--> <!--//通过通配符进行类型转换--> <!--doubleList = integerList;--> static void cast(List<?> orgin, List<?> dest){ dest = orgin; }

5.Java泛型不允许直接使用instanceof运算符进行运行时类型检查(通配符可以)

直接使用instanceof运算符进行运行时类型检查:

List<String> stringList = new ArrayList<String >(); //不能直接使用instanceof,类型检查报错 System.out.println(stringList instanceof ArrayList<Double>);

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<Integer>和ArrayList<String>的之间的区别。 而我们可以通过通配符的方式进行instanceof运行期检查:

// 这个时候的类型检查没有意义 System.out.println(stringList instanceof ArrayList<?>);

6.Java泛型不允许创建确切类型的泛型数组(通配符可以)

创建整型泛型数组如下:

//类型检查错误 List<Integer>[] list = new ArrayList<Integer>[2];

可以通过通配符创建:

Generic<?>[] generics = new Generic<?>[2]; generics[0] = new Generic<Integer>(123); generics[1] = new Generic<String>("hello"); for (Generic<?> generic : generics) { System.out.println(generic.get()); }

结果会正常打印出123和"hello"。

7.Java泛型不允许作为参数进行重载

例如:

public class GenericTest<T>{ void test(List<Integer> list){} //不允许作为参数列表进行重载 void test(List<Double> list){} }

原因是:类型擦除后两个方法是一样的参数列表,无法重载。


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