java泛型详解

一. 泛型概念的提出（为什么需要泛型）？

首先，我们看下下面这段简短的代码:

1 public class GenericTest {
2
3     public static void main(String[] args) {
4         List list = new ArrayList();
5         list.add("qqyumidi");
6         list.add("corn");
7         list.add(100);
8
9         for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
10             String name = (String) list.get(i); // 111             System.out.println("name:" + name);
12         }
13     }
14 }

定义了一个List类型的集合，先向其中加入了两个字符串类型的值，随后加入一个Integer类型的值。这是完全允许的，因为此时list默认的类型为Object类型。在之后的循环中，由于忘记了之前在list中也加入了Integer类型的值或其他编码原因，很容易出现类似于//1中的错误。因为编译阶段正常，而运行时会出现“java.lang.ClassCastException”异常。因此，导致此类错误编码过程中不易发现。

 在如上的编码过程中，我们发现主要存在两个问题：

1.当我们将一个对象放入集合中，集合不会记住此对象的类型，当再次从集合中取出此对象时，改对象的编译类型变成了Object类型，但其运行时类型任然为其本身类型。

2.因此，//1处取出集合元素时需要人为的强制类型转化到具体的目标类型，且很容易出现“java.lang.ClassCastException”异常。

那么有没有什么办法可以使集合能够记住集合内元素各类型，且能够达到只要编译时不出现问题，运行时就不会出现“java.lang.ClassCastException”异常呢？答案就是使用泛型。

 

二.什么是泛型？

泛型，即“参数化类型”。一提到参数，最熟悉的就是定义方法时有形参，然后调用此方法时传递实参。那么参数化类型怎么理解呢？顾名思义，就是将类型由原来的具体的类型参数化，类似于方法中的变量参数，此时类型也定义成参数形式（可以称之为类型形参），然后在使用/调用时传入具体的类型（类型实参）。

 看着好像有点复杂，首先我们看下上面那个例子采用泛型的写法。

1 public class GenericTest {
2
3     public static void main(String[] args) {
4         /* 5         List list = new ArrayList();
6         list.add("qqyumidi");
7         list.add("corn");
8         list.add(100);
9         */10
11         List<String> list = new ArrayList<String>();
12         list.add("qqyumidi");
13         list.add("corn");
14         //list.add(100);   // 1  提示编译错误15
16         for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
17             String name = list.get(i); // 218             System.out.println("name:" + name);
19         }
20     }
21 }

采用泛型写法后，在//1处想加入一个Integer类型的对象时会出现编译错误，通过List<String>，直接限定了list集合中只能含有String类型的元素，从而在//2处无须进行强制类型转换，因为此时，集合能够记住元素的类型信息，编译器已经能够确认它是String类型了。

结合上面的泛型定义，我们知道在List<String>中，String是类型实参，也就是说，相应的List接口中肯定含有类型形参。且get()方法的返回结果也直接是此形参类型（也就是对应的传入的类型实参）。下面就来看看List接口的的具体定义：

1 public interface List<E> extends Collection<E> {
2
3     int size();
4
5     boolean isEmpty();
6
7     boolean contains(Object o);
8
9     Iterator<E> iterator();
10
11     Object[] toArray();
12
13     <T> T[] toArray(T[] a);
14
15     boolean add(E e);
16
17     boolean remove(Object o);
18
19     boolean containsAll(Collection<?> c);
20
21     boolean addAll(Collection<? extends E> c);
22
23     boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);
24
25     boolean removeAll(Collection<?> c);
26
27     boolean retainAll(Collection<?> c);
28
29     void clear();
30
31     boolean equals(Object o);
32
33     int hashCode();
34
35     E get(int index);
36
37     E set(int index, E element);
38
39     void add(int index, E element);
40
41     E remove(int index);
42
43     int indexOf(Object o);
44
45     int lastIndexOf(Object o);
46
47     ListIterator<E> listIterator();
48
49     ListIterator<E> listIterator(int index);
50
51     List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);
52 }

我们可以看到，在List接口中采用泛型化定义之后，<E>中的E表示类型形参，可以接收具体的类型实参，并且此接口定义中，凡是出现E的地方均表示相同的接受自外部的类型实参。

自然的，ArrayList作为List接口的实现类，其定义形式是：

1 public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
2         implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
3
4     public boolean add(E e) {
5         ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!! 6         elementData[size++] = e;
7         return true;
8     }
9
10     public E get(int index) {
11         rangeCheck(index);
12         checkForComodification();
13         return ArrayList.this.elementData(offset + index);
14     }
15
16     //...省略掉其他具体的定义过程17
18 }

由此，我们从源代码角度明白了为什么//1处加入Integer类型对象编译错误，且//2处get()到的类型直接就是String类型了。

 

三.自定义泛型接口、泛型类和泛型方法

从上面的内容中，大家已经明白了泛型的具体运作过程。也知道了接口、类和方法也都可以使用泛型去定义，以及相应的使用。是的，在具体使用时，可以分为泛型接口、泛型类和泛型方法。

自定义泛型接口、泛型类和泛型方法与上述Java源码中的List、ArrayList类似。如下，我们看一个最简单的泛型类和方法定义：

1 public class GenericTest {
2
3     public static void main(String[] args) {
4
5         Box<String> name = new Box<String>("corn");
6         System.out.println("name:" + name.getData());
7     }
8
9 }
10
11 class Box<T> {
12
13     private T data;
14
15     public Box() {
16
17     }
18
19     public Box(T data) {
20         this.data = data;
21     }
22
23     public T getData() {
24         return data;
25     }
26
27 }

在泛型接口、泛型类和泛型方法的定义过程中，我们常见的如T、E、K、V等形式的参数常用于表示泛型形参，由于接收来自外部使用时候传入的类型实参。那么对于不同传入的类型实参，生成的相应对象实例的类型是不是一样的呢？

1 public class GenericTest {
2
3     public static void main(String[] args) {
4
5         Box<String> name = new Box<String>("corn");
6         Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
7
8         System.out.println("name class:" + name.getClass());      // com.qqyumidi.Box 9         System.out.println("age class:" + age.getClass());        // com.qqyumidi.Box10         System.out.println(name.getClass() == age.getClass());    // true11
12     }
13
14 }

由此，我们发现，在使用泛型类时，虽然传入了不同的泛型实参，但并没有真正意义上生成不同的类型，传入不同泛型实参的泛型类在内存上只有一个，即还是原来的最基本的类型（本实例中为Box），当然，在逻辑上我们可以理解成多个不同的泛型类型。

究其原因，在于Java中的泛型这一概念提出的目的，导致其只是作用于代码编译阶段，在编译过程中，对于正确检验泛型结果后，会将泛型的相关信息擦出，也就是说，成功编译过后的class文件中是不包含任何泛型信息的。泛型信息不会进入到运行时阶段。

对此总结成一句话：泛型类型在逻辑上看以看成是多个不同的类型，实际上都是相同的基本类型。

 

四.类型通配符

接着上面的结论，我们知道，Box<Number>和Box<Integer>实际上都是Box类型，现在需要继续探讨一个问题，那么在逻辑上，类似于Box<Number>和Box<Integer>是否可以看成具有父子关系的泛型类型呢？

为了弄清这个问题，我们继续看下下面这个例子:

1 public class GenericTest {
2
3     public static void main(String[] args) {
4
5         Box<Number> name = new Box<Number>(99);
6         Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
7
8         getData(name);
9
10         //The method getData(Box<Number>) in the type GenericTest is
11         //not applicable for the arguments (Box<Integer>)12         getData(age);   // 1
13
14     }
15
16     public static void getData(Box<Number> data){
17         System.out.println("data :" + data.getData());
18     }
19
20 }

我们发现，在代码//1处出现了错误提示信息：The method getData(Box<Number>) in the t ype GenericTest is not applicable for the arguments (Box<Integer>)。显然，通过提示信息，我们知道Box<Number>在逻辑上不能视为Box<Integer>的父类。那么，原因何在呢？

1 public class GenericTest {
2
3     public static void main(String[] args) {
4
5         Box<Integer> a = new Box<Integer>(712);
6         Box<Number> b = a;  // 1 7         Box<Float> f = new Box<Float>(3.14f);
8         b.setData(f);        // 2 9
10     }
11
12     public static void getData(Box<Number> data) {
13         System.out.println("data :" + data.getData());
14     }
15
16 }
17
18 class Box<T> {
19
20     private T data;
21
22     public Box() {
23
24     }
25
26     public Box(T data) {
27         setData(data);
28     }
29
30     public T getData() {
31         return data;
32     }
33
34     public void setData(T data) {
35         this.data = data;
36     }
37
38 }

这个例子中，显然//1和//2处肯定会出现错误提示的。在此我们可以使用反证法来进行说明。

假设Box<Number>在逻辑上可以视为Box<Integer>的父类，那么//1和//2处将不会有错误提示了，那么问题就出来了，通过getData()方法取出数据时到底是什么类型呢？Integer? Float? 还是Number？且由于在编程过程中的顺序不可控性，导致在必要的时候必须要进行类型判断，且进行强制类型转换。显然，这与泛型的理念矛盾，因此，在逻辑上Box<Number>不能视为Box<Integer>的父类。

好，那我们回过头来继续看“类型通配符”中的第一个例子，我们知道其具体的错误提示的深层次原因了。那么如何解决呢？总部能再定义一个新的函数吧。这和Java中的多态理念显然是违背的，因此，我们需要一个在逻辑上可以用来表示同时是Box<Integer>和Box<Number>的父类的一个引用类型，由此，类型通配符应运而生。

类型通配符一般是使用 ? 代替具体的类型实参。注意了，此处是类型实参，而不是类型形参！且Box<?>在逻辑上是Box<Integer>、Box<Number>...等所有Box<具体类型实参>的父类。由此，我们依然可以定义泛型方法，来完成此类需求。

1 public class GenericTest {
2
3     public static void main(String[] args) {
4
5         Box<String> name = new Box<String>("corn");
6         Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
7         Box<Number> number = new Box<Number>(314);
8
9         getData(name);
10         getData(age);
11         getData(number);
12     }
13
14     public static void getData(Box<?> data) {
15         System.out.println("data :" + data.getData());
16     }
17
18 }

有时候，我们还可能听到类型通配符上限和类型通配符下限。具体有是怎么样的呢？

在上面的例子中，如果需要定义一个功能类似于getData()的方法，但对类型实参又有进一步的限制：只能是Number类及其子类。此时，需要用到类型通配符上限。

1 public class GenericTest {
2
3     public static void main(String[] args) {
4
5         Box<String> name = new Box<String>("corn");
6         Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
7         Box<Number> number = new Box<Number>(314);
8
9         getData(name);
10         getData(age);
11         getData(number);
12
13         //getUpperNumberData(name); // 114         getUpperNumberData(age);    // 215         getUpperNumberData(number); // 316     }
17
18     public static void getData(Box<?> data) {
19         System.out.println("data :" + data.getData());
20     }
21
22     public static void getUpperNumberData(Box<? extends Number> data){
23         System.out.println("data :" + data.getData());
24     }
25
26 }

此时，显然，在代码//1处调用将出现错误提示，而//2 //3处调用正常。

类型通配符上限通过形如Box<? extends Number>形式定义，相对应的，类型通配符下限为Box<? super Number>形式，其含义与类型通配符上限正好相反，在此不作过多阐述了。

泛型类

容器类应该算得上最具重用性的类库之一。先来看一个没有泛型的情况下的容器类如何定义：

public class Container {
private String key;
private String value;

public Container(String k, String v) {
key = k;
value = v;
}

public String getKey() {
return key;
}

public void setKey(String key) {
this.key = key;
}

public String getValue() {
return value;
}

public void setValue(String value) {
this.value = value;
}
}

Container

类保存了一对

key-value

键值对，但是类型是定死的，也就说如果我想要创建一个键值对是

String-Integer

类型的，当前这个

Container

是做不到的，必须再自定义。那么这明显重用性就非常低。

当然，我可以用

Object

来代替

String

，并且在Java
SE5之前，我们也只能这么做，由于

Object

是所有类型的基类，所以可以直接转型。但是这样灵活性还是不够，因为还是指定类型了，只不过这次指定的类型层级更高而已，有没有可能不指定类型？有没有可能在运行时才知道具体的类型是什么？

所以，就出现了泛型。

public class Container<K, V> {
private K key;
private V value;

public Container(K k, V v) {
key = k;
value = v;
}

public K getKey() {
return key;
}

public void setKey(K key) {
this.key = key;
}

public V getValue() {
return value;
}

public void setValue(V value) {
this.value = value;
}
}

在编译期，是无法知道

K

和

V

具体是什么类型，只有在运行时才会真正根据类型来构造和分配内存。可以看一下现在

Container

类对于不同类型的支持情况：

public class Main {

public static void main(String[] args) {
Container<String, String> c1 = new Container<String, String>("name", "findingsea");
Container<String, Integer> c2 = new Container<String, Integer>("age", 24);
Container<Double, Double> c3 = new Container<Double, Double>(1.1, 2.2);
System.out.println(c1.getKey() + " : " + c1.getValue());
System.out.println(c2.getKey() + " : " + c2.getValue());
System.out.println(c3.getKey() + " : " + c3.getValue());
}
}

输出：

name : findingsea
age : 24
1.1 : 2.2

泛型接口

在泛型接口中，生成器是一个很好的理解，看如下的生成器接口定义：

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

然后定义一个生成器类来实现这个接口：

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)];
}
}

调用：

public class Main {

public static void main(String[] args) {
FruitGenerator generator = new FruitGenerator();
System.out.println(generator.next());
System.out.println(generator.next());
System.out.println(generator.next());
System.out.println(generator.next());
}
}

输出：

Banana
Banana
Pear
Banana

泛型方法

一个基本的原则是：无论何时，只要你能做到，你就应该尽量使用泛型方法。也就是说，如果使用泛型方法可以取代将整个类泛化，那么应该有限采用泛型方法。下面来看一个简单的泛型方法的定义：

public class Main {

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

public static void main(String[] args) {
out("findingsea");
out(123);
out(11.11);
out(true);
}
}

可以看到方法的参数彻底泛化了，这个过程涉及到编译器的类型推导和自动打包，也就说原来需要我们自己对类型进行的判断和处理，现在编译器帮我们做了。这样在定义方法的时候不必考虑以后到底需要处理哪些类型的参数，大大增加了编程的灵活性。

再看一个泛型方法和可变参数的例子：

全选<button href="javascript:void(0);" _xhe_href="javascript:void(0);" class="copyCode btn btn-xs" data-clipboard-text="" public="" main="" {"="" data-toggle="tooltip" data-placement="bottom" title="" style="color: rgb(255, 255, 255); font-style: inherit; font-variant: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 12px; line-height: 1.5; font-family: inherit; margin: 0px 0px 0px 5px; overflow: visible; cursor: pointer; vertical-align: middle; border: 1px solid transparent; white-space: nowrap; padding-right: 5px; padding-left: 5px; border-radius: 3px; -webkit-user-select: none; box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.0980392) 0px 1px 2px; background-image: none; background-color: rgba(0, 0, 0, 0.74902);">复制放进笔记

public class Main {

public static <T> void out(T... args) {
for (T t : args) {
System.out.println(t);
}
}

public static void main(String[] args) {
out("findingsea", 123, 11.11, true);
}
}