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Java 泛型原理

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泛型是什么？

考虑以下场景：您希望开发一个用于在应用中传递对象的容器。但对象类型并不总是相同。因此，需要开发一个能够存储各种类型对象的容器。

鉴于这种情况，要实现此目标，显然最好的办法是开发一个能够存储和检索 Object 类型本身的容器，然后在将该对象用于各种类型时进行类型转换。

实例1中的类演示了如何开发此类容器。

public class ObjectContainer {
    private Object obj;

    /**
     * @return the obj
     */
    public Object getObj() {
        return obj;
    }

    /**
     * @param obj the obj to set
     */
    public void setObj(Object obj) {
        this.obj = obj;
    }
    
}


ObjectContainer myObj = new ObjectContainer();

// store a string
myObj.setObj("Test");
System.out.println("Value of myObj:" + myObj.getObj());
// store an int (which is autoboxed to an Integer object)
myObj.setObj(3);
System.out.println("Value of myObj:" + myObj.getObj());

List objectList = new ArrayList();
objectList.add(myObj);
// We have to cast and must cast the correct type to avoid ClassCastException!
String myStr = (String) ((ObjectContainer)objectList.get(0)).getObj(); 
System.out.println("myStr: " + myStr);

虽然这个容器会达到预期效果，但就我们的目的而言，它并不是最合适的解决方案。它不是类型安全的，并且要求在检索封装对象时使用显式类型转换，因此有可能引发异常。

使用泛型可以开发一个更好的解决方案，在实例化时为所使用的容器分配一个类型，也称泛型类型，这样就可以创建一个对象来存储所分配类型的对象。

泛型类型是一种类型参数化的类或接口，这意味着可以通过执行泛型类型调用 分配一个类型，将用分配的具体类型替换泛型类型。然后，所分配的类型将用于限制容器内使用的值，这样就无需进行类型转换，还可以在编译时提供更强的类型检查。

实例2演示了如何创建与先前创建的容器相同的容器，但这次使用泛型类型参数，而不是 Object 类型。

public class GenericContainer<T> {
    private T obj;

    public GenericContainer(){
    }
    
    // Pass type in as parameter to constructor
    public GenericContainer(T t){
        obj = t;
    }

    /**
     * @return the obj
     */
    public T getObj() {
        return obj;
    }

    /**
     * @param obj the obj to set
     */
    public void setObj(T t) {
        obj = t;
    }
}


//要使用泛型容器，必须在实例化时使用尖括号表示法指定容器类型。
//因此，以下代码将实例化一个 Integer 类型的GenericContainer，并将其分配给 myInt 字段。
GenericContainer<Integer> myInt =  new GenericContainer<>();
//或者
GenericContainer<Integer> myInt =  new GenericContainer<Integer>();


//如果我们尝试在已经实例化的容器中存储其他类型的对象，代码将无法编译
myInt.setObj(3);  // OK
myInt.setObj("Int"); // Won't Compile

最显著的差异是类定义包含 ，类字段 obj 不再是 Object 类型，而是泛型类型 T。类定义中的尖括号之间是类型参数部分，介绍类中将要使用的类型参数（或多个参数）。T 是与此类中定义的泛型类型关联的参数。

使用泛型的好处

一个最重要的好处是更强的类型检查，因为避开运行时可能引发的 ClassCastException 可以节省时间。

另一个好处是消除了类型转换，这意味着可以用更少的代码，因为编译器确切知道集合中存储的是何种类型。

如何使用泛型

泛型有许多不同用例。本文在前面的示例中介绍了生成泛型对象类型的用例。这对于在类和接口层面了解泛型语法是个很好的起点。

类签名包含一个类型参数部分，包括在类名后的尖括号 (< >) 内

例如：

public class GenericContainer<T> {
...

类型参数（又称类型变量）用作占位符，指示在运行时为类分配类型。根据需要，可能有一个或多个类型参数，并且可以用于整个类。根据惯例，类型参数是单个大写字母，该字母用于指示所定义的参数类型。下面列出每个用例的标准类型参数：

  • E：元素
  • K：键
  • N：数字
  • T：类型
  • V：值
  • S、U、V 等：多参数情况中的第 2、3、4 个类型

在上面的示例中，T 指示将分配的类型，因此可在实例化时为 GenericContainer 分配任何有效类型。注意，T 参数用于整个类，指示实例化时指定的类型。使用下面这行代码实例化对象时，将用 String 类型替换所有 T 参数：

GenericContainer<String> stringContainer = new GenericContainer<String>();

泛型也可用于构造函数中，传递类域初始化所需的类型参数。GenericContainer 的构造函数允许在实例化时传递任意类型：

GenericContainer gc1 = new GenericContainer(3);
GenericContainer gc2 = new GenericContainer("Hello");

注意，未分配类型的泛型称为原始类型。例如，要创建原始类型的 GenericContainer，可以使用以下代码：

GenericContainer rawContainer = new GenericContainer();

原始类型有时对于实现向后兼容很有用，但并不适用于日常代码。原始类型在编译时无需执行类型检查，导致代码在运行时易于出错。

多种泛型类型

有时，能够在类或接口中使用多种泛型类型很有帮助。通过在尖括号之间放置一个逗号分隔的类型列表，可在类或接口中使用多个类型参数。

下面实例中的类使用一个接受以下两种类型的类演示了此概念：T 和 S。

public class MultiGenericContainer<T, S> {
    private T firstPosition;
    private S secondPosition;
   
    public MultiGenericContainer(T firstPosition, S secondPosition){
        this.firstPosition = firstPosition;
        this.secondPosition = secondPosition;
    }
    
    public T getFirstPosition(){
        return firstPosition;
    }
    
    public void setFirstPosition(T firstPosition){
        this.firstPosition = firstPosition;
    }
    
    public S getSecondPosition(){
        return secondPosition;
    }
    
    public void setSecondPosition(S secondPosition){
        this.secondPosition = secondPosition;
    }
    
}

MultiGenericContainer 类可用于存储两个不同对象，每个对象的类型可在实例化时指定。

容器的用法如下

MultiGenericContainer<String, String> mondayWeather =
        new MultiGenericContainer<String, String>("Monday", "Sunny");
MultiGenericContainer<Integer, Double> dayOfWeekDegrees = 
        new MultiGenericContainer<Integer, Double>(1, 78.0);

String mondayForecast = mondayWeather.getFirstPosition();
// The Double type is unboxed--to double, in this case. More on this in next section!
double sundayDegrees = dayOfWeekDegrees.getSecondPosition();

有界类型

我们经常会遇到这种情况，需要指定泛型类型，但又希望可以控制指定的类型，而非不加限制。有界类型 在类型参数部分指定 extends 或 super 关键字，分别用上限或下限限制类型，从而限制泛型类型的边界。

如果希望将某类型限制为特定类型或特定类型的子类型，请使用以下表示法：

<T extends UpperBoundType>

同样，如果希望将某个类型限制为特定类型或特定类型的超类型，请使用以下表示法：

<T super LowerBoundType>

什么是PECS？

PECS指“Producer Extends，Consumer Super”。 如果你是想遍历collection，并对每一项元素操作时，此时这个集合是生产者（生产元素），应该使用 Collection<? extends Thing>。 如果你是想添加元素到collection中去，那么此时集合是消费者（消费元素）应该使用Collection<? super Thing>。

泛型方法

有时，我们可能不知道传入方法的参数类型。在方法级别应用泛型可以解决此类问题。方法参数可以包含泛型类型，方法也可以包含泛型返回类型。

假设我们要开发一个接受 Number 类型的计算器类。泛型可用于确保可将任何 Number 类型作为参数传递给此类的计算方法。

例如，如下示例中的 add() 方法演示了如何使用泛型限制两个参数的类型，确保其包含 Number 的上限：

public static <N extends Number> double add(N a, N b){
    double sum = 0;
    sum = a.doubleValue() + b.doubleValue();
    return sum;
}

通过将类型限制为 Number，您可以将 Number 子类的任何对象作为参数传递。此外，通过将类型限制为 Number，我们还可以确保传递给该方法的任何参数将包含 doubleValue() 方法。要查看实际效果，如果您想添加一个 Integer 和一个 Float，可以按如下所示调用该方法：

double genericValue1 = Calculator.add(3, 3f);

通配符

某些情况下，编写指定未知类型的代码很有用。问号 ? 通配符可用于使用泛型代码表示未知类型。通配符可用于参数、字段、局部变量和返回类型。但最好不要在返回类型中使用通配符，因为确切知道方法返回的类型更安全。

假设我们想编写一个方法来验证指定的 List 中是否存在指定的对象。我们希望该方法接受两个参数：一个是未知类型的 List，另一个是任意类型的对象。

public static <T> void checkList(List<?> myList, T obj){
        if(myList.contains(obj)){
            System.out.println("The list contains the element: " + obj);
        } else {
            System.out.println("The list does not contain the element: " + obj);
        }
    }

使用示例

// Create List of type Integer
List<Integer> intList = new ArrayList<Integer>();
intList.add(2);
intList.add(4);
intList.add(6);

// Create List of type String
List<String> strList = new ArrayList<String>();
strList.add("two");
strList.add("four");
strList.add("six");

// Create List of type Object
List<Object> objList = new ArrayList<Object>();
objList.add("two");
objList.add("four");
objList.add(strList);

checkList(intList, 3); 
// Output:  The list [2, 4, 6] does not contain the element: 3

checkList(objList, strList); 
/* Output:  The list [two, four, [two, four, six]] contains 
the element: [two, four, six] */

checkList(strList, objList);
/* Output:  The list [two, four, six] does not contain 
the element: [two, four, [two, four, six]] */

有时要使用上限或下限限制通配符。与指定带边界的泛型类型极其相似，指定 extends 或 super 关键字加上通配符，后面跟用于上限或下限的类型，即可声明带边界的通配符类型。

例如，如果我们要更改 checkList 方法使其只接受扩展 Number 类型的 List，可按清单 14 所示编写代码。

public static <T> void checkNumber(List<? extends Number> myList, T obj){
    if(myList.contains(obj)){
        System.out.println("The list " + myList + " contains the element: " + obj);
    } else {
        System.out.println("The list " + myList + " does not contain the 
element: " + obj);
    }
}

总结

泛型其实说白了就是应用在编译时期，是给编译器使用的技术，到了运行时期，泛型就不存在啦。这是因为，编辑器检查了泛型的类型正确之后，再生成的类文件中是没有泛型的。

泛型使用注意事项

  • 对象实例化时不指定泛型的话，默认为：Object。
  • 泛型的指定中不能使用基本数据类型，可以使用包装类替换。
  • 静态方法中不能使用类的泛型
  • 可以同时绑定多个绑定,用&连接
  • 泛型类可能多个参数，此时应将多个参数一起放在尖括号内。比如<E1,E2,E3>
  • 从泛型类派生子类，泛型类型需具体化：继承泛型类后，子类类型对应类型需要具体化
  • 如果泛型类是一个接口或抽象类，则不可创建泛型类的对象。
转载自:https://juejin.cn/post/6844903811115384845
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