Java總結篇系列:Java泛型詳解
一. 泛型概念的提出（為什么需要泛型）？
首先，我們看下下面這段簡短的代碼:
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList();
list.add("qqyumidi");
list.add("corn");
list.add(100);
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
String name = (String) list.get(i); // 1
System.out.println("name:" + name);
}
}
}
定義了一個List類型的集合，先向其中加入了兩個字符串類型的值，隨后加入一個Integer類型的值。這是完全允許的，因為此時list默認的類型為Object類型。在之后的循環(huán)中，由于忘記了之前在list中也加入了Integer類型的值或其他編碼原因，很容易出現(xiàn)類似于//1中的錯誤。因為編譯階段正常，而運行時會出現(xiàn)“java.lang.ClassCastException”異常。因此，導致此類錯誤編碼過程中不易發(fā)現(xiàn)。
在如上的編碼過程中，我們發(fā)現(xiàn)主要存在兩個問題：
1.當我們將一個對象放入集合中，集合不會記住此對象的類型，當再次從集合中取出此對象時，改對象的編譯類型變成了Object類型，但其運行時類型任然為其本身類型。
2.因此，//1處取出集合元素時需要人為的強制類型轉化到具體的目標類型，且很容易出現(xiàn)“java.lang.ClassCastException”異常。
那么有沒有什么辦法可以使集合能夠記住集合內(nèi)元素各類型，且能夠達到只要編譯時不出現(xiàn)問題，運行時就不會出現(xiàn)“java.lang.ClassCastException”異常呢？答案就是使用泛型。
二.什么是泛型？
泛型，即“參數(shù)化類型”。一提到參數(shù)，最熟悉的就是定義方法時有形參，然后調用此方法時傳遞實參。那么參數(shù)化類型怎么理解呢？顧名思義，就是將類型由原來的具體的類型參數(shù)化，類似于方法中的變量參數(shù)，此時類型也定義成參數(shù)形式（可以稱之為類型形參），然后在使用/調用時傳入具體的類型（類型實參）。
看著好像有點復雜，首先我們看下上面那個例子采用泛型的寫法。
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
/*
List list = new ArrayList();
list.add("qqyumidi");
list.add("corn");
list.add(100);
*/
List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("qqyumidi");
list.add("corn");
//list.add(100); // 1 提示編譯錯誤
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
String name = list.get(i); // 2
System.out.println("name:" + name);
}
}
}
采用泛型寫法后，在//1處想加入一個Integer類型的對象時會出現(xiàn)編譯錯誤，通過List<String>，直接限定了list集合中只能含有String類型的元素，從而在//2處無須進行強制類型轉換，因為此時，集合能夠記住元素的類型信息，編譯器已經(jīng)能夠確認它是String類型了。
結合上面的泛型定義，我們知道在List<String>中，String是類型實參，也就是說，相應的List接口中肯定含有類型形參。且get()方法的返回結果也直接是此形參類型（也就是對應的傳入的類型實參）。下面就來看看List接口的的具體定義：
public interface List<E> extends Collection<E> {
int size();
boolean isEmpty();
boolean contains(Object o);
Iterator<E> iterator();
Object[] toArray();
<T> T[] toArray(T[] a);
boolean add(E e);
boolean remove(Object o);
boolean containsAll(Collection<?> c);
boolean addAll(Collection<? extends E> c);
boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);
boolean removeAll(Collection<?> c);
boolean retainAll(Collection<?> c);
void clear();
boolean equals(Object o);
int hashCode();
E get(int index);
E set(int index, E element);
void add(int index, E element);
E remove(int index);
int indexOf(Object o);
int lastIndexOf(Object o);
ListIterator<E> listIterator();
ListIterator<E> listIterator(int index);
List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);
}
我們可以看到，在List接口中采用泛型化定義之后，<E>中的E表示類型形參，可以接收具體的類型實參，并且此接口定義中，凡是出現(xiàn)E的地方均表示相同的接受自外部的類型實參。
自然的，ArrayList作為List接口的實現(xiàn)類，其定義形式是：
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
checkForComodification();
return ArrayList.this.elementData(offset + index);
}
//...省略掉其他具體的定義過程
}
由此，我們從源代碼角度明白了為什么//1處加入Integer類型對象編譯錯誤，且//2處get()到的類型直接就是String類型了。
三.自定義泛型接口、泛型類和泛型方法
從上面的內(nèi)容中，大家已經(jīng)明白了泛型的具體運作過程。也知道了接口、類和方法也都可以使用泛型去定義，以及相應的使用。是的，在具體使用時，可以分為泛型接口、泛型類和泛型方法。
自定義泛型接口、泛型類和泛型方法與上述Java源碼中的List、ArrayList類似。如下，我們看一個最簡單的泛型類和方法定義：
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
Box<String> name = new Box<String>("corn");
System.out.println("name:" + name.getData());
}
}
class Box<T> {
private T data;
public Box() {
}
public Box(T data) {
this.data = data;
}
public T getData() {
return data;
}
}
在泛型接口、泛型類和泛型方法的定義過程中，我們常見的如T、E、K、V等形式的參數(shù)常用于表示泛型形參，由于接收來自外部使用時候傳入的類型實參。那么對于不同傳入的類型實參，生成的相應對象實例的類型是不是一樣的呢？
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
Box<String> name = new Box<String>("corn");
Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
System.out.println("name class:" + name.getClass()); // com.qqyumidi.Box
System.out.println("age class:" + age.getClass()); // com.qqyumidi.Box
System.out.println(name.getClass() == age.getClass()); // true
}
}
由此，我們發(fā)現(xiàn)，在使用泛型類時，雖然傳入了不同的泛型實參，但并沒有真正意義上生成不同的類型，傳入不同泛型實參的泛型類在內(nèi)存上只有一個，即還是原來的最基本的類型（本實例中為Box），當然，在邏輯上我們可以理解成多個不同的泛型類型。
究其原因，在于Java中的泛型這一概念提出的目的，導致其只是作用于代碼編譯階段，在編譯過程中，對于正確檢驗泛型結果后，會將泛型的相關信息擦出，也就是說，成功編譯過后的class文件中是不包含任何泛型信息的。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看成是多個不同的類型，實際上都是相同的基本類型。
四.類型通配符
接著上面的結論，我們知道，Box<Number>和Box<Integer>實際上都是Box類型，現(xiàn)在需要繼續(xù)探討一個問題，那么在邏輯上，類似于Box<Number>和Box<Integer>是否可以看成具有父子關系的泛型類型呢？
為了弄清這個問題，我們繼續(xù)看下下面這個例子:
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
Box<Number> name = new Box<Number>(99);
Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
getData(name);
//The method getData(Box<Number>) in the type GenericTest is
//not applicable for the arguments (Box<Integer>)
getData(age); // 1
}
public static void getData(Box<Number> data){
System.out.println("data :" + data.getData());
}
}
我們發(fā)現(xiàn)，在代碼//1處出現(xiàn)了錯誤提示信息：The method getData(Box<Number>) in the t ype GenericTest is not applicable for the arguments (Box<Integer>)。顯然，通過提示信息，我們知道Box<Number>在邏輯上不能視為Box<Integer>的父類。那么，原因何在呢？
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
Box<Integer> a = new Box<Integer>(712);
Box<Number> b = a; // 1
Box<Float> f = new Box<Float>(3.14f);
b.setData(f); // 2
}
public static void getData(Box<Number> data) {
System.out.println("data :" + data.getData());
}
}
class Box<T> {
private T data;
public Box() {
}
public Box(T data) {
setData(data);
}
public T getData() {
return data;
}
public void setData(T data) {
this.data = data;
}
}
這個例子中，顯然//1和//2處肯定會出現(xiàn)錯誤提示的。在此我們可以使用反證法來進行說明。
假設Box<Number>在邏輯上可以視為Box<Integer>的父類，那么//1和//2處將不會有錯誤提示了，那么問題就出來了，通過getData()方法取出數(shù)據(jù)時到底是什么類型呢？Integer? Float? 還是Number？且由于在編程過程中的順序不可控性，導致在必要的時候必須要進行類型判斷，且進行強制類型轉換。顯然，這與泛型的理念矛盾，因此，在邏輯上Box<Number>不能視為Box<Integer>的父類。
好，那我們回過頭來繼續(xù)看“類型通配符”中的第一個例子，我們知道其具體的錯誤提示的深層次原因了。那么如何解決呢？總部能再定義一個新的函數(shù)吧。這和Java中的多態(tài)理念顯然是違背的，因此，我們需要一個在邏輯上可以用來表示同時是Box<Integer>和Box<Number>的父類的一個引用類型，由此，類型通配符應運而生。
類型通配符一般是使用 ? 代替具體的類型實參。注意了，此處是類型實參，而不是類型形參！且Box<?>在邏輯上是Box<Integer>、Box<Number>...等所有Box<具體類型實參>的父類。由此，我們依然可以定義泛型方法，來完成此類需求。
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
Box<String> name = new Box<String>("corn");
Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
Box<Number> number = new Box<Number>(314);
getData(name);
getData(age);
getData(number);
}
public static void getData(Box<?> data) {
System.out.println("data :" + data.getData());
}
}
有時候，我們還可能聽到類型通配符上限和類型通配符下限。具體有是怎么樣的呢？
在上面的例子中，如果需要定義一個功能類似于getData()的方法，但對類型實參又有進一步的限制：只能是Number類及其子類。此時，需要用到類型通配符上限。
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
Box<String> name = new Box<String>("corn");
Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
Box<Number> number = new Box<Number>(314);
getData(name);
getData(age);
getData(number);
//getUpperNumberData(name); // 1
getUpperNumberData(age); // 2
getUpperNumberData(number); // 3
}
public static void getData(Box<?> data) {
System.out.println("data :" + data.getData());
}
public static void getUpperNumberData(Box<? extends Number> data){
System.out.println("data :" + data.getData());
}
}
此時，顯然，在代碼//1處調用將出現(xiàn)錯誤提示，而//2 //3處調用正常。
類型通配符上限通過形如Box<? extends Number>形式定義，相對應的，類型通配符下限為Box<? super Number>形式，其含義與類型通配符上限正好相反，在此不作過多闡述了。
五.話外篇
本文中的例子主要是為了闡述泛型中的一些思想而簡單舉出的，并不一定有著實際的可用性。另外，一提到泛型，相信大家用到最多的就是在集合中，其實，在實際的編程過程中，自己可以使用泛型去簡化開發(fā)，且能很好的保證代碼質量。并且還要注意的一點是，Java中沒有所謂的泛型數(shù)組一說。
對于泛型，最主要的還是需要理解其背后的思想和目的。
以上就是小編為大家?guī)淼腏ava總結篇系列:Java泛型詳解的全部內(nèi)容了，希望對大家有所幫助，多多支持腳本之家~
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