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Java泛型编程最全总结

高洛峰
高洛峰原创
2016-12-19 15:11:491652浏览

1介绍

Java泛型编程是JDK1.5版本后引入的。泛型让编程人员能够使用类型抽象，通常用于集合里面。下面是一个不用泛型例子：

List myIntList=new LinkedList(); //1  
myIntList.add(newInteger(0)); //2  
Integer x=(Integer)myIntList.iterator().next(); //3

注意第3行代码，但这是让人很不爽的一点，因为程序员肯定知道自己存储在List里面的对象类型是Integer，但是在返回列表中元素时，还是必须强制转换类型，这是为什么呢？原因在于，编译器只能保证迭代器的next()方法返回的是Object类型的对象，为保证Integer变量的类型安全，所以必须强制转换。

这种转换不仅显得混乱，更可能导致类型转换异常ClassCastException，运行时异常往往让人难以检测到。保证列表中的元素为一个特定的数据类型，这样就可以取消类型转换，减少发生错误的机会， 这也是泛型设计的初衷。下面是一个使用了泛型的例子：

Listc0f559cc8d56b43654fcbe4aa9df7b4a myIntList=newLinkedListc0f559cc8d56b43654fcbe4aa9df7b4a(); //1’  
myIntList.add(newInteger(0)); //2’  
Integerx=myIntList.iterator().next(); //3’

 在第1行代码中指定List中存储的对象类型为Integer，这样在获取列表中的对象时，不必强制转换类型了。 

2定义简单的泛型

下面是一个引用自java.util包中的接口List和Iterator的定义，其中用到了泛型技术。

public interface List1a4db2c2c2313771e5742b6debf617a1 {  
5144dad4cd9c9023410d94caa0f34ebc    54bdf357c58b8a65c66d7c19c8e4d114void add(E x);  
5144dad4cd9c9023410d94caa0f34ebc    54bdf357c58b8a65c66d7c19c8e4d114Iterator1a4db2c2c2313771e5742b6debf617a1 iterator();  
}  
public interface Iterator1a4db2c2c2313771e5742b6debf617a1 {  
5144dad4cd9c9023410d94caa0f34ebc    54bdf357c58b8a65c66d7c19c8e4d114E next();  
5144dad4cd9c9023410d94caa0f34ebc    54bdf357c58b8a65c66d7c19c8e4d114boolean hasNext();  
}

     这跟原生类型没有什么区别，只是在接口后面加入了一个尖括号，尖括号里面是一个类型参数（定义时就是一个格式化的类型参数，在调用时会使用一个具体的类型来替换该类型）。

       也许可以这样认为，Listc0f559cc8d56b43654fcbe4aa9df7b4a表示List中的类型参数E会被替换成Integer。

public interface IntegerList {  
<span style="white-space: pre;">    </span>void add(Integer x)  
<span style="white-space: pre;">    </span>Iterator<Integer> iterator();  
}

       类型擦除指的是通过类型参数合并，将泛型类型实例关联到同一份字节码上。编译器只为泛型类型生成一份字节码，并将其实例关联到这份字节码上，因此泛型类型中的静态变量是所有实例共享的。此外，需要注意的是，一个static方法，无法访问泛型类的类型参数，因为类还没有实例化，所以，若static方法需要使用泛型能力，必须使其成为泛型方法。类型擦除的关键在于从泛型类型中清除类型参数的相关信息，并且再必要的时候添加类型检查和类型转换的方法。在使用泛型时，任何具体的类型都被擦除，唯一知道的是你在使用一个对象。比如：Listf7e83be87db5cd2d9a8a0b8117b38cd4和Listc0f559cc8d56b43654fcbe4aa9df7b4a在运行事实上是相同的类型。他们都被擦除成他们的原生类型，即List。因为编译的时候会有类型擦除，所以不能通过同一个泛型类的实例来区分方法，如下面的例子编译时会出错，因为类型擦除后，两个方法都是List类型的参数，因此并不能根据泛型类的类型来区分方法。

 public class Erasure{  
            public void test(List<String> ls){  
                System.out.println("Sting");  
            }  
            public void test(List<Integer> li){  
                System.out.println("Integer");  
            }  
  }

      那么这就有个问题了，既然在编译的时候会在方法和类中擦除实际类型的信息，那么在返回对象时又是如何知道其具体类型的呢？如Listf7e83be87db5cd2d9a8a0b8117b38cd4编译后会擦除掉String信息，那么在运行时通过迭代器返回List中的对象时，又是如何知道List中存储的是String类型对象呢？

       擦除在方法体中移除了类型信息，所以在运行时的问题就是边界：即对象进入和离开方法的地点，这正是编译器在编译期执行类型检查并插入转型代码的地点。泛型中的所有动作都发生在边界处：对传递进来的值进行额外的编译期检查，并插入对传递出去的值的转型。

 

3.泛型和子类型

为了彻底理解泛型，这里看个例子：（Apple为Fruit的子类

List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>(); //1  
List<Fruit> fruits = apples; //2

第1行代码显然是对的，但是第2行是否对呢？我们知道Fruit fruit = new Apple()，这样肯定是对的，即苹果肯定是水果，但是第2行在编译的时候会出错。这会让人比较纳闷的是一个苹果是水果，为什么一箱苹果就不是一箱水果了呢？可以这样考虑，我们假定第2行代码没有问题，那么我们可以使用语句fruits.add(new Strawberry())（Strawberry为Fruit的子类）在fruits中加入草莓了，但是这样的话，一个List中装入了各种不同类型的子类水果，这显然是不可以的，因为我们在取出List中的水果对象时，就分不清楚到底该转型为苹果还是草莓了。

通常来说，如果Foo是Bar的子类型，G是一种带泛型的类型，则G4ee996100bf04ab273e687539c860625不是Gad40e550a33cb99ea30eede96e03e60e的子类型。这也许是泛型学习里面最让人容易混淆的一点。

 

4.通配符

4.1通配符？

先看一个打印集合中所有元素的代码。

void printCollection(Collection c) {                  
<span style="white-space: pre;">    </span>Iterator i=c.iterator();  
<span style="white-space: pre;">    </span>for (k=0;k < c.size();k++) {  
<span style="white-space: pre;">        </span>System.out.println(i.next());  
<span style="white-space: pre;">    </span>}  
}
void printCollection(Collection<Object> c) {  
for (Object e:c) {  
System.out.println(e);  
}  
}

   很容易发现，使用泛型的版本只能接受元素类型为Object类型的集合如ArrayLista87fdacec66f0909fc0757c19f2d2b1d();如果是ArrayListf7e83be87db5cd2d9a8a0b8117b38cd4，则会编译时出错。因为我们前面说过，Collectiona87fdacec66f0909fc0757c19f2d2b1d并不是所有集合的超类。而老版本可以打印任何类型的集合，那么如何改造新版本以便它能接受所有类型的集合呢？这个问题可以通过使用通配符来解决。修改后的代码如下所示：

//使用通配符？，表示可以接收任何元素类型的集合作为参数  
void printCollection(Collection<?> c) {  
<span style="white-space: pre;">    </span>for (Object e:c) {  
<span style="white-space: pre;">        </span>System.out.println(e);  
<span style="white-space: pre;">    </span>}  
}

这里使用了通配符？指定可以使用任何类型的集合作为参数。读取的元素使用了Object类型来表示，这是安全的，因为所有的类都是Object的子类。这里就又出现了另外一个问题，如下代码所示，如果试图往使用通配符？的集合中加入对象，就会在编译时出现错误。需要注意的是，这里不管加入什么类型的对象都会出错。这是因为通配符？表示该集合存储的元素类型未知，可以是任何类型。往集合中加入元素需要是一个未知元素类型的子类型，正因为该集合存储的元素类型未知，所以我们没法向该集合中添加任何元素。唯一的例外是null，因为null是所有类型的子类型，所以尽管元素类型不知道，但是null一定是它的子类型。

Collection<?> c=new ArrayList<String>();  
c.add(newObject()); //compile time error，不管加入什么对象都出错，除了null外。  
c.add(null); //OK

另一方面，我们可以从List6b3d0130bba23ae47fe2b8e8cddf0195 lists中获取对象，虽然不知道List中存储的是什么类型，但是可以肯定的是存储的类型一定是Object的子类型，所以可以用Object类型来获取值。如for(Object obj: lists)，这是合法的。

4.2边界通配符

   1）？extends通配符

假定有一个画图的应用，可以画各种形状的图形，如矩形和圆形等。为了在程序里面表示，定义如下的类层次：

public abstract class Shape {  
<span style="white-space: pre;">    </span>public abstract void draw(Canvas c);  
}  
  
public class Circle extends Shape {  
<span style="white-space: pre;">    </span>private int x,y,radius;  
<span style="white-space: pre;">    </span>public void draw(Canvas c) { ... }  
}  
  
public class Rectangle extends Shape  
<span style="white-space: pre;">    </span>private int x,y,width,height;  
<span style="white-space: pre;">    </span>public void draw(Canvasc) { ... }  
}

为了画出集合中所有的形状，我们可以定义一个函数，该函数接受带有泛型的集合类对象作为参数。但是不幸的是，我们只能接收元素类型为Shape的List对象，而不能接收类型为Listbd5f0b6be71dcbe6e9e8a42cca8c5100的对象，这在前面已经说过。为了解决这个问题，所以有了边界通配符的概念。这里可以采用public void drawAll(Listd77674685afc6c34e7798aac36bbe2b7shapes)来满足条件，这样就可以接收元素类型为Shape子类型的列表作为参数了。

//原始版本  
public void drawAll(List<Shape> shapes) {  
<span style="white-space: pre;">    </span>for (Shapes:shapes) {  
<span style="white-space: pre;">        </span>s.draw(this);  
<span style="white-space: pre;">    </span>}  
}
//使用边界通配符的版本  
public void drawAll(List<？exends Shape> shapes) {  
<span style="white-space: pre;">    </span>for (Shapes:shapes) {  
<span style="white-space: pre;">        </span>s.draw(this);  
<span style="white-space: pre;">    </span>}  
}

这里就又有个问题要注意了，如果我们希望在List3713e1cf25733a9d265f2d98a96f6589 shapes中加入一个矩形对象，如下所示：

shapes.add(0, new Rectangle()); //compile-time error

那么这时会出现一个编译时错误，原因在于：我们只知道shapes中的元素时Shape类型的子类型，具体是什么子类型我们并不清楚，所以我们不能往shapes中加入任何类型的对象。不过我们在取出其中对象时，可以使用Shape类型来取值，因为虽然我们不知道列表中的元素类型具体是什么类型，但是我们肯定的是它一定是Shape类的子类型。

 

2）？super通配符

       这里还有一种边界通配符为？super。比如下面的代码：

List<Shape> shapes = new ArrayList<Shape>();  
List<? super Cicle> cicleSupers = shapes;  
cicleSupers.add(new Cicle()); //OK, subclass of Cicle also OK  
cicleSupers.add(new Shape()); //ERROR

       这表示cicleSupers列表存储的元素为Cicle的超类，因此我们可以往其中加入Cicle对象或者Cicle的子类对象，但是不能加入Shape对象。这里的原因在于列表cicleSupers存储的元素类型为Cicle的超类，但是具体是Cicle的什么超类并不清楚。但是我们可以确定的是只要是Cicle或者Circle的子类，则一定是与该元素类别兼容。

 

3)边界通配符总结

437fcc348f7b1c54dc1b8f8cb5743cbcl         04c6c2c265887a55041405a81efec09a如果你想从一个数据类型里获取数据，使用 ? extends 通配符

437fcc348f7b1c54dc1b8f8cb5743cbcl         04c6c2c265887a55041405a81efec09a如果你想把对象写入一个数据结构里，使用 ? super 通配符

437fcc348f7b1c54dc1b8f8cb5743cbcl         04c6c2c265887a55041405a81efec09a如果你既想存，又想取，那就别用通配符。

 

5.泛型方法

考虑实现一个方法，该方法拷贝一个数组中的所有对象到集合中。下面是初始的版本：

static void fromArrayToCollection(Object[]a, Collection<?> c) {  
<span style="white-space: pre;">    </span>for (Object o:a) {  
<span style="white-space: pre;">        </span>c.add(o); //compile time error  
<span style="white-space: pre;">    </span>}  
}

可以看到显然会出现编译错误，原因在之前有讲过，因为集合c中的类型未知，所以不能往其中加入任何的对象（当然，null除外）。解决该问题的一种比较好的办法是使用泛型方法，如下所示：

static <T> void fromArrayToCollection(T[] a, Collection<T>c){  
<span style="white-space: pre;">    </span>for(T o : a) {  
<span style="white-space: pre;">        </span>c.add(o);// correct  
<span style="white-space: pre;">    </span>}  
}

注意泛型方法的格式，类型参数8742468051c85b06f0a0af9e3e506b5c需要放在函数返回值之前。然后在参数和返回值中就可以使用泛型参数了。具体一些调用方法的实例如下：

Object[] oa = new Object[100];  
Collection<Object>co = new ArrayList<Object>();  
fromArrayToCollection(oa, co);// T inferred to be Object  
String[] sa = new String[100];  
Collection<String>cs = new ArrayList<String>();  
fromArrayToCollection(sa, cs);// T inferred to be String  
fromArrayToCollection(sa, co);// T inferred to be Object  
Integer[] ia = new Integer[100];  
Float[] fa = new Float[100];  
Number[] na = new Number[100];  
Collection<Number>cn = new ArrayList<Number>();  
fromArrayToCollection(ia, cn);// T inferred to be Number  
fromArrayToCollection(fa, cn);// T inferred to be Number  
fromArrayToCollection(na, cn);// T inferred to be Number  
fromArrayToCollection(na, co);// T inferred to be Object  
fromArrayToCollection(na, cs);// compile-time error

注意到我们调用方法时并不需要传递类型参数,系统会自动判断类型参数并调用合适的方法。当然在某些情况下需要指定传递类型参数，比如当存在与泛型方法相同的方法的时候（方法参数类型不一致），如下面的一个例子：

public  <T> void go(T t) {  
    System.out.println("generic function");  
}  
public void go(String str) {  
    System.out.println("normal function");  
}  
public static void main(String[] args) {  
        FuncGenric fg = new FuncGenric();  
        fg.go("haha");//打印normal function  
        fg.<String>go("haha");//打印generic function  
        fg.go(new Object());//打印generic function  
        fg.<Object>go(new Object());//打印generic function  
}

如例子中所示，当不指定类型参数时，调用的是普通的方法，如果指定了类型参数，则调用泛型方法。可以这样理解，因为泛型方法编译后类型擦除，如果不指定类型参数，则泛型方法此时相当于是public void go(Object t)。而普通的方法接收参数为String类型，因此以String类型的实参调用函数，肯定会调用形参为String的普通方法了。如果是以Object类型的实参调用函数，则会调用泛型方法。

6.其他需要注意的小点

1）方法重载

在JAVA里面方法重载是不能通过返回值类型来区分的，比如代码一中一个类中定义两个如下的方法是不容许的。但是当参数为泛型类型时，却是可以的。如下面代码二中所示，虽然形参经过类型擦除后都为List类型，但是返回类型不同，这是可以的。

/*代码一：编译时错误*/   
public class Erasure{  
            public void test(int i){  
                System.out.println("Sting");  
            }  
            public int test(int i){  
                System.out.println("Integer");  
            }  
  }
/*代码二：正确 */  
 public class Erasure{  
            public void test(List<String> ls){  
                System.out.println("Sting");  
            }  
            public int test(List<Integer> li){  
                System.out.println("Integer");  
            }  
  }

2）泛型类型是被所有调用共享的

       所有泛型类的实例都共享同一个运行时类，类型参数信息会在编译时被擦除。因此考虑如下代码，虽然ArrayListf7e83be87db5cd2d9a8a0b8117b38cd4和ArrayListc0f559cc8d56b43654fcbe4aa9df7b4a类型参数不同，但是他们都共享ArrayList类，所以结果会是true。

List<String>l1 = new ArrayList<String>();  
List<Integer>l2 = new ArrayList<Integer>();  
System.out.println(l1.getClass() == l2.getClass()); //True

3）instanceof

不能对确切的泛型类型使用instanceOf操作。如下面的操作是非法的，编译时会出错。

Collection cs = new ArrayList<String>();  
if (cs instanceof Collection<String>){…}// compile error.如果改成instanceof Collection<?>则不会出错。

4)泛型数组问题

不能创建一个确切泛型类型的数组。如下面代码会出错。

Listf7e83be87db5cd2d9a8a0b8117b38cd4[] lsa = new ArrayListf7e83be87db5cd2d9a8a0b8117b38cd4[10]; //compile error.

       因为如果可以这样，那么考虑如下代码，会导致运行时错误。

List<String>[] lsa = new ArrayList<String>[10]; // 实际上并不允许这样创建数组  
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

       因此只能创建带通配符的泛型数组，如下面例子所示，这回可以通过编译，但是在倒数第二行代码中必须显式的转型才行，即便如此，最后还是会抛出类型转换异常，因为存储在lsa中的是Listc0f559cc8d56b43654fcbe4aa9df7b4a类型的对象，而不是Listf7e83be87db5cd2d9a8a0b8117b38cd4类型。最后一行代码是正确的，类型匹配，不会抛出异常。

ist<?>[] 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  
String s = (String) lsa[1].get(0);// run time error, but cast is explicit  
Integer it = (Integer)lsa[1].get(0); // OK



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