夯實Java基礎系列13:深入理解Java中的泛型

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該系列博文會告訴你如何從入門到進階,一步步地學習Java基礎知識,并上手進行實戰,接著了解每個Java知識點背后的實現原理,更完整地了解整個Java技術體系,形成自己的知識框架。為了更好地總結和檢驗你的學習成果,本系列文章也會提供每個知識點對應的面試題以及參考答案。

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泛型概述

泛型在java中有很重要的地位,在面向對象編程及各種設計模式中有非常廣泛的應用。

什么是泛型?為什么要使用泛型?

泛型的本質是為了參數化類型(在不創建新的類型的情況下,通過泛型指定的不同類型來控制形參具體限制的類型)。也就是說在泛型使用過程中,操作的數據類型被指定為一個參數,這種參數類型可以用在類、接口和方法中,分別被稱為泛型類、泛型接口、泛型方法。

一個栗子

一個被舉了無數次的例子:

List arrayList = new ArrayList();
arrayList.add("aaaa");
arrayList.add(100);

for(int i = 0; i< arrayList.size();i++){
    String item = (String)arrayList.get(i);
    Log.d("泛型測試","item = " + item);
}

毫無疑問,程序的運行結果會以崩潰結束:

java.lang.ClassCastException: java.lang.Integer cannot be cast to java.lang.String

ArrayList可以存放任意類型,例子中添加了一個String類型,添加了一個Integer類型,再使用時都以String的方式使用,因此程序崩潰了。為了解決類似這樣的問題(在編譯階段就可以解決),泛型應運而生。

我們將第一行聲明初始化list代碼更改一下,編譯器會在編譯階段就能夠幫我們發現類似這樣的問題。

List<String> arrayList = new ArrayList<String>();

//arrayList.add(100); 在編譯階段,編譯器就會報錯

特性

泛型只在編譯階段有效。看下面的代碼:

List<String> stringArrayList = new ArrayList<String>();
List<Integer> integerArrayList = new ArrayList<Integer>();

Class classStringArrayList = stringArrayList.getClass();
Class classIntegerArrayList = integerArrayList.getClass();

if(classStringArrayList.equals(classIntegerArrayList)){
    Log.d("泛型測試","類型相同");
}

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。

泛型的使用方式

泛型有三種使用方式,分別為:泛型類、泛型接口、泛型方法

泛型類

泛型類的最基本寫法(這么看可能會有點暈,會在下面的例子中詳解):

class 類名稱 <泛型標識:可以隨便寫任意標識號,標識指定的泛型的類型>{
  private 泛型標識 /*(成員變量類型)*/ var; 
  .....

  }

一個最普通的泛型類:

//此處T可以隨便寫為任意標識,常見的如T、E、K、V等形式的參數常用于表示泛型

//在實例化泛型類時,必須指定T的具體類型
public class Generic<T>{
    //在類中聲明的泛型整個類里面都可以用,除了靜態部分,因為泛型是實例化時聲明的。
    //靜態區域的代碼在編譯時就已經確定,只與類相關
    class A <E>{
        T t;
    }
    //類里面的方法或類中再次聲明同名泛型是允許的,并且該泛型會覆蓋掉父類的同名泛型T
    class B <T>{
        T t;
    }
    //靜態內部類也可以使用泛型,實例化時賦予泛型實際類型
    static class C <T> {
        T t;
    }
    public static void main(String[] args) {
        //報錯,不能使用T泛型,因為泛型T屬于實例不屬于類
//        T t = null;
    }

    //key這個成員變量的類型為T,T的類型由外部指定
    private T key;

    public Generic(T key) { //泛型構造方法形參key的類型也為T,T的類型由外部指定
        this.key = key;
    }

    public T getKey(){ //泛型方法getKey的返回值類型為T,T的類型由外部指定
        return key;
    }
}

12-27 09:20:04.432 13063-13063/? D/泛型測試: key is 123456

12-27 09:20:04.432 13063-13063/? D/泛型測試: key is key_vlaue

定義的泛型類,就一定要傳入泛型類型實參么?并不是這樣,在使用泛型的時候如果傳入泛型實參,則會根據傳入的泛型實參做相應的限制,此時泛型才會起到本應起到的限制作用。如果不傳入泛型類型實參的話,在泛型類中使用泛型的方法或成員變量定義的類型可以為任何的類型。

看一個例子:

Generic generic = new Generic("111111");
Generic generic1 = new Generic(4444);
Generic generic2 = new Generic(55.55);
Generic generic3 = new Generic(false);

Log.d("泛型測試","key is " + generic.getKey());
Log.d("泛型測試","key is " + generic1.getKey());
Log.d("泛型測試","key is " + generic2.getKey());
Log.d("泛型測試","key is " + generic3.getKey());

D/泛型測試: key is 111111
D/泛型測試: key is 4444
D/泛型測試: key is 55.55
D/泛型測試: key is false

注意:

泛型的類型參數只能是類類型,不能是簡單類型。

不能對確切的泛型類型使用instanceof操作。如下面的操作是非法的,編譯時會出錯。

if(ex_num instanceof Generic<Number>){   
    }

泛型接口

泛型接口與泛型類的定義及使用基本相同。泛型接口常被用在各種類的生產器中,可以看一個例子:

//定義一個泛型接口
public interface Generator<T> {
    public T next();
}

當實現泛型接口的類,未傳入泛型實參時:

/**
 * 未傳入泛型實參時,與泛型類的定義相同,在聲明類的時候,需將泛型的聲明也一起加到類中
 * 即:class FruitGenerator<T> implements Generator<T>{
 * 如果不聲明泛型,如:class FruitGenerator implements Generator<T>,編譯器會報錯:"Unknown class"
 */
class FruitGenerator<T> implements Generator<T>{
    @Override
    public T next() {
        return null;
    }
}

當實現泛型接口的類,傳入泛型實參時:

/**
 * 傳入泛型實參時:
 * 定義一個生產器實現這個接口,雖然我們只創建了一個泛型接口Generator<T>
 * 但是我們可以為T傳入無數個實參,形成無數種類型的Generator接口。
 * 在實現類實現泛型接口時,如已將泛型類型傳入實參類型,則所有使用泛型的地方都要替換成傳入的實參類型
 * 即:Generator<T>,public T next();中的的T都要替換成傳入的String類型。
 */
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)];
    }
}

泛型通配符

我們知道Ingeter是Number的一個子類,同時在特性章節中我們也驗證過Generic<Ingeter>與Generic<Number>實際上是相同的一種基本類型。那么問題來了,在使用Generic<Number>作為形參的方法中,能否使用Generic<Ingeter>的實例傳入呢?在邏輯上類似于Generic<Number>和Generic<Ingeter>是否可以看成具有父子關系的泛型類型呢?

為了弄清楚這個問題,我們使用Generic<T>這個泛型類繼續看下面的例子:

public void showKeyValue1(Generic<Number> obj){
    Log.d("泛型測試","key value is " + obj.getKey());
}

Generic<Integer> gInteger = new Generic<Integer>(123);
Generic<Number> gNumber = new Generic<Number>(456);

showKeyValue(gNumber);

// showKeyValue這個方法編譯器會為我們報錯:Generic<java.lang.Integer> 
// cannot be applied to Generic<java.lang.Number>
// showKeyValue(gInteger);

通過提示信息我們可以看到Generic<Integer>不能被看作為`Generic<Number>的子類。由此可以看出:同一種泛型可以對應多個版本(因為參數類型是不確定的),不同版本的泛型類實例是不兼容的。

回到上面的例子,如何解決上面的問題?總不能為了定義一個新的方法來處理Generic<Integer>類型的類,這顯然與java中的多臺理念相違背。因此我們需要一個在邏輯上可以表示同時是Generic<Integer>和Generic<Number>父類的引用類型。由此類型通配符應運而生。

我們可以將上面的方法改一下:

public void showKeyValue1(Generic<?> obj){
    Log.d("泛型測試","key value is " + obj.getKey());

類型通配符一般是使用?代替具體的類型實參,注意, 此處的?和Number、String、Integer一樣都是一種實際的類型,可以把?看成所有類型的父類。是一種真實的類型。

可以解決當具體類型不確定的時候,這個通配符就是 ? ;當操作類型時,不需要使用類型的具體功能時,只使用Object類中的功能。那么可以用 ? 通配符來表未知類型

public void showKeyValue(Generic<Number> obj){

System.out.println(obj);
}
Generic<Integer> gInteger = new Generic<Integer>(123);
Generic<Number> gNumber = new Generic<Number>(456);

public void test () {
//        showKeyValue(gInteger);該方法會報錯
    showKeyValue1(gInteger);
}

public void showKeyValue1(Generic<?> obj) {
    System.out.println(obj);
}
// showKeyValue這個方法編譯器會為我們報錯:Generic<java.lang.Integer>
// cannot be applied to Generic<java.lang.Number>
// showKeyValue(gInteger);

泛型方法

在java中,泛型類的定義非常簡單,但是泛型方法就比較復雜了。

尤其是我們見到的大多數泛型類中的成員方法也都使用了泛型,有的甚至泛型類中也包含著泛型方法,這樣在初學者中非常容易將泛型方法理解錯了。

泛型類,是在實例化類的時候指明泛型的具體類型;泛型方法,是在調用方法的時候指明泛型的具體類型 。

/**
 * 泛型方法的基本介紹
 * @param tClass 傳入的泛型實參
 * @return T 返回值為T類型
 * 說明:
 *     1)public 與 返回值中間<T>非常重要,可以理解為聲明此方法為泛型方法。
 *     2)只有聲明了<T>的方法才是泛型方法,泛型類中的使用了泛型的成員方法并不是泛型方法。
 *     3)<T>表明該方法將使用泛型類型T,此時才可以在方法中使用泛型類型T。
 *     4)與泛型類的定義一樣,此處T可以隨便寫為任意標識,常見的如T、E、K、V等形式的參數常用于表示泛型。
 */
    public <T> T genericMethod(Class<T> tClass)throws InstantiationException ,
      IllegalAccessException{
            T instance = tClass.newInstance();
            return instance;
    }

Object obj = genericMethod(Class.forName("com.test.test"));

泛型方法的基本用法

光看上面的例子有的同學可能依然會非常迷糊,我們再通過一個例子,把我泛型方法再總結一下。

/** 
 * 這才是一個真正的泛型方法。
 * 首先在public與返回值之間的<T>必不可少,這表明這是一個泛型方法,并且聲明了一個泛型T
 * 這個T可以出現在這個泛型方法的任意位置.
 * 泛型的數量也可以為任意多個 
 *    如:public <T,K> K showKeyName(Generic<T> container){
 *        ...
 *        }
 */

    public class 泛型方法 {
    @Test
    public void test() {
        test1();
        test2(new Integer(2));
        test3(new int[3],new Object());

        //打印結果
//        null
//        2
//        [[email protected]
//        [email protected]
    }
    //該方法使用泛型T
    public <T> void test1() {
        T t = null;
        System.out.println(t);
    }
    //該方法使用泛型T
    //并且參數和返回值都是T類型
    public <T> T test2(T t) {
        System.out.println(t);
        return t;
    }

    //該方法使用泛型T,E
    //參數包括T,E
    public <T, E> void test3(T t, E e) {
        System.out.println(t);
        System.out.println(e);
    }
}

?

類中的泛型方法

當然這并不是泛型方法的全部,泛型方法可以出現雜任何地方和任何場景中使用。但是有一種情況是非常特殊的,當泛型方法出現在泛型類中時,我們再通過一個例子看一下

//注意泛型類先寫類名再寫泛型,泛型方法先寫泛型再寫方法名
//類中聲明的泛型在成員和方法中可用
class A <T, E>{
    {
        T t1 ;
    }
    A (T t){
        this.t = t;
    }
    T t;

    public void test1() {
        System.out.println(this.t);
    }

    public void test2(T t,E e) {
        System.out.println(t);
        System.out.println(e);
    }
}
@Test
public void run () {
    A <Integer,String > a = new A<>(1);
    a.test1();
    a.test2(2,"ds");
//        1
//        2
//        ds
}

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

泛型方法與可變參數

再看一個泛型方法和可變參數的例子:

public class 泛型和可變參數 {
    @Test
    public void test () {
        printMsg("dasd",1,"dasd",2.0,false);
        print("dasdas","dasdas", "aa");
    }
    //普通可變參數只能適配一種類型
    public void print(String ... args) {
        for(String t : args){
            System.out.println(t);
        }
    }
    //泛型的可變參數可以匹配所有類型的參數。。有點無敵
    public <T> void printMsg( T... args){
        for(T t : args){
            System.out.println(t);
        }
    }
        //打印結果:
    //dasd
    //1
    //dasd
    //2.0
    //false

}

靜態方法與泛型

靜態方法有一種情況需要注意一下,那就是在類中的靜態方法使用泛型:靜態方法無法訪問類上定義的泛型;如果靜態方法操作的引用數據類型不確定的時候,必須要將泛型定義在方法上。

即:如果靜態方法要使用泛型的話,必須將靜態方法也定義成泛型方法 。

public class StaticGenerator<T> {
    ....
    ....
    /**
     * 如果在類中定義使用泛型的靜態方法,需要添加額外的泛型聲明(將這個方法定義成泛型方法)
     * 即使靜態方法要使用泛型類中已經聲明過的泛型也不可以。
     * 如:public static void show(T t){..},此時編譯器會提示錯誤信息:
          "StaticGenerator cannot be refrenced from static context"
     */
    public static <T> void show(T t){

    }
}

泛型方法總結

泛型方法能使方法獨立于類而產生變化,以下是一個基本的指導原則:

無論何時,如果你能做到,你就該盡量使用泛型方法。也就是說,如果使用泛型方法將整個類泛型化,那么就應該使用泛型方法。另外對于一個static的方法而已,無法訪問泛型類型的參數。所以如果static方法要使用泛型能力,就必須使其成為泛型方法。

泛型上下邊界

在使用泛型的時候,我們還可以為傳入的泛型類型實參進行上下邊界的限制,如:類型實參只準傳入某種類型的父類或某種類型的子類。

為泛型添加上邊界,即傳入的類型實參必須是指定類型的子類型

public class 泛型通配符與邊界 {
    public void showKeyValue(Generic<Number> obj){
        System.out.println("key value is " + obj.getKey());
    }
    @Test
    public void main() {
        Generic<Integer> gInteger = new Generic<Integer>(123);
        Generic<Number> gNumber = new Generic<Number>(456);
        showKeyValue(gNumber);
        //泛型中的子類也無法作為父類引用傳入
//        showKeyValue(gInteger);
    }
    //直接使用?通配符可以接受任何類型作為泛型傳入
    public void showKeyValueYeah(Generic<?> obj) {
        System.out.println(obj);
    }
    //只能傳入number的子類或者number
    public void showKeyValue1(Generic<? extends Number> obj){
        System.out.println(obj);
    }

    //只能傳入Integer的父類或者Integer
    public void showKeyValue2(Generic<? super Integer> obj){
        System.out.println(obj);
    }

    @Test
    public void testup () {
        //這一行代碼編譯器會提示錯誤,因為String類型并不是Number類型的子類
        //showKeyValue1(generic1);
        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);

        showKeyValue1(generic2);
        showKeyValue1(generic3);
        showKeyValue1(generic4);
    }

    @Test
    public void testdown () {

        Generic<String> generic1 = new Generic<String>("11111");
        Generic<Integer> generic2 = new Generic<Integer>(2222);
        Generic<Number> generic3 = new Generic<Number>(2);
//        showKeyValue2(generic1);本行報錯,因為String并不是Integer的父類
        showKeyValue2(generic2);
        showKeyValue2(generic3);
    }
}

== 關于泛型數組要提一下 ==

看到了很多文章中都會提起泛型數組,經過查看sun的說明文檔,在java中是”不能創建一個確切的泛型類型的數組”的。

也就是說下面的這個例子是不可以的:

List<String>[] ls = new ArrayList<String>[10];  

而使用通配符創建泛型數組是可以的,如下面這個例子:

List<?>[] ls = new ArrayList<?>[10];  

這樣也是可以的:

List<String>[] ls = new ArrayList[10];

下面使用Sun的一篇文檔的一個例子來說明這個問題:

List<String>[] lsa = new List<String>[10]; // Not really allowed.    
Object o = lsa;    
Object[] oa = (Object[]) o;    
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();    
li.add(new Integer(3));    
oa[1] = li; // Unsound, but passes run time store check    
String s = lsa[1].get(0); // Run-time error: ClassCastException.
這種情況下,由于JVM泛型的擦除機制,在運行時JVM是不知道泛型信息的,所以可以給oa[1]賦上一個ArrayList而不會出現異常,但是在取出數據的時候卻要做一次類型轉換,所以就會出現ClassCastException,如果可以進行泛型數組的聲明,上面說的這種情況在編譯期將不會出現任何的警告和錯誤,只有在運行時才會出錯。

而對泛型數組的聲明進行限制,對于這樣的情況,可以在編譯期提示代碼有類型安全問題,比沒有任何提示要強很多。

下面采用通配符的方式是被允許的:數組的類型不可以是類型變量,除非是采用通配符的方式,因為對于通配符的方式,最后取出數據是要做顯式的類型轉換的。

List<?>[] lsa = new List<?>[10]; // OK, array of unbounded wildcard type.    
Object o = lsa;    
Object[] oa = (Object[]) o;    
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();    
li.add(new Integer(3));    
oa[1] = li; // Correct.    
Integer i = (Integer) lsa[1].get(0); // OK

最后

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,且能很好的保證代碼質量

泛型常見面試題

  1. Java中的泛型是什么 ? 使用泛型的好處是什么?

這是在各種Java泛型面試中,一開場你就會被問到的問題中的一個,主要集中在初級和中級面試中。那些擁有Java1.4或更早版本的開發背景的人 都知道,在集合中存儲對象并在使用前進行類型轉換是多么的不方便。泛型防止了那種情況的發生。它提供了編譯期的類型安全,確保你只能把正確類型的對象放入 集合中,避免了在運行時出現ClassCastException。

  1. Java的泛型是如何工作的 ? 什么是類型擦除 ?

這是一道更好的泛型面試題。泛型是通過類型擦除來實現的,編譯器在編譯時擦除了所有類型相關的信息,所以在運行時不存在任何類型相關的信息。例如 List<String>在運行時僅用一個List來表示。這樣做的目的,是確保能和Java 5之前的版本開發二進制類庫進行兼容。你無法在運行時訪問到類型參數,因為編譯器已經把泛型類型轉換成了原始類型。根據你對這個泛型問題的回答情況,你會 得到一些后續提問,比如為什么泛型是由類型擦除來實現的或者給你展示一些會導致編譯器出錯的錯誤泛型代碼。請閱讀我的Java中泛型是如何工作的來了解更 多信息。

  1. 什么是泛型中的限定通配符和非限定通配符 ?

這是另一個非常流行的Java泛型面試題。限定通配符對類型進行了限制。有兩種限定通配符,一種是<? extends T>它通過確保類型必須是T的子類來設定類型的上界,另一種是<? super T>它通過確保類型必須是T的父類來設定類型的下界。泛型類型必須用限定內的類型來進行初始化,否則會導致編譯錯誤。另一方面<?>表 示了非限定通配符,因為<?>可以用任意類型來替代。更多信息請參閱我的文章泛型中限定通配符和非限定通配符之間的區別。

  1. List<? extends T>和List <? super T>之間有什么區別 ?

這和上一個面試題有聯系,有時面試官會用這個問題來評估你對泛型的理解,而不是直接問你什么是限定通配符和非限定通配符。這兩個List的聲明都是 限定通配符的例子,List<? extends T>可以接受任何繼承自T的類型的List,而List<? super T>可以接受任何T的父類構成的List。例如List<? extends Number>可以接受List<Integer>或List<Float>。在本段出現的連接中可以找到更多信息。

  1. 如何編寫一個泛型方法,讓它能接受泛型參數并返回泛型類型?

編寫泛型方法并不困難,你需要用泛型類型來替代原始類型,比如使用T, E or K,V等被廣泛認可的類型占位符。泛型方法的例子請參閱Java集合類框架。最簡單的情況下,一個泛型方法可能會像這樣:

public V put(K key, V value) {

return cache.put(key, value);

}

  1. Java中如何使用泛型編寫帶有參數的類?

這是上一道面試題的延伸。面試官可能會要求你用泛型編寫一個類型安全的類,而不是編寫一個泛型方法。關鍵仍然是使用泛型類型來代替原始類型,而且要使用JDK中采用的標準占位符。

  1. 編寫一段泛型程序來實現LRU緩存?

對于喜歡Java編程的人來說這相當于是一次練習。給你個提示,LinkedHashMap可以用來實現固定大小的LRU緩存,當LRU緩存已經滿 了的時候,它會把最老的鍵值對移出緩存。LinkedHashMap提供了一個稱為removeEldestEntry()的方法,該方法會被put() 和putAll()調用來刪除最老的鍵值對。當然,如果你已經編寫了一個可運行的JUnit測試,你也可以隨意編寫你自己的實現代碼。

  1. 你可以把List<String>傳遞給一個接受List<Object>參數的方法嗎?

對任何一個不太熟悉泛型的人來說,這個Java泛型題目看起來令人疑惑,因為乍看起來String是一種Object,所以 List<String>應當可以用在需要List<Object>的地方,但是事實并非如此。真這樣做的話會導致編譯錯誤。如 果你再深一步考慮,你會發現Java這樣做是有意義的,因為List<Object>可以存儲任何類型的對象包括String, Integer等等,而List<String>卻只能用來存儲Strings。

List<Object> objectList;

List<String> stringList;

objectList = stringList; //compilation error incompatible types

  1. Array中可以用泛型嗎?

這可能是Java泛型面試題中最簡單的一個了,當然前提是你要知道Array事實上并不支持泛型,這也是為什么Joshua Bloch在Effective Java一書中建議使用List來代替Array,因為List可以提供編譯期的類型安全保證,而Array卻不能。

  1. 如何阻止Java中的類型未檢查的警告?

如果你把泛型和原始類型混合起來使用,例如下列代碼,Java 5的javac編譯器會產生類型未檢查的警告,例如

List<String> rawList = new ArrayList()

注意: Hello.java使用了未檢查或稱為不安全的操作;

這種警告可以使用@SuppressWarnings(“unchecked”)注解來屏蔽。

參考文章

https://www.cnblogs.com/huaji…

https://www.cnblogs.com/jpfss…

https://www.cnblogs.com/dengc…

https://www.cnblogs.com/cat52…

https://www.cnblogs.com/copri…

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夯實Java基礎系列13:深入理解Java中的泛型

個人公眾號:黃小斜

作者是 985 碩士,螞蟻金服 JAVA 工程師,專注于 JAVA 后端技術棧:SpringBoot、MySQL、分布式、中間件、微服務,同時也懂點投資理財,偶爾講點算法和計算機理論基礎,堅持學習和寫作,相信終身學習的力量!

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原文 

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