Java泛型与集合类

在前面我们学习了最重要的类和对象，了解了面向对象编程的思想，注意，非常重要，面向对象是必须要深入理解和掌握的内容，不能草草结束。在本章节，我们会继续深入了解，从我们的泛型开始，再到我们的数据结构，最后再开始我们的集合类学习。

走进泛型

为了统计学生成绩，要求设计一个Score对象，包括课程名称、课程号、课程成绩，但是成绩分为两种，一种是以优秀、良好、合格 来作为结果，还有一种就是 60.0、75.5、92.5 这样的数字分数，那么现在该如何去设计这样的一个Score类呢？现在的问题就是，成绩可能是String类型，也可能是Integer类型，如何才能很好的去存可能出现的两种类型呢？

public class Score {
    String name;
    String id;
    Object score;  //因为Object是所有类型的父类，因此既可以存放Integer也能存放String
      public Score(String name, String id, Object score) {
        this.name = name;
        this.id = id;
        this.score = score;
    }
}

以上的方法虽然很好地解决了多种类型存储问题，但是Object类型在编译阶段并不具有良好的类型判断能力，很容易出现以下的情况：

public static void main(String[] args) {
    Score score = new Score("数据结构与算法基础", "EP074512", "优秀");  //是String类型的
    //....
    Integer number = (Integer) score.score;  //获取成绩需要进行强制类型转换，虽然并不是一开始的类型，但是编译不会报错
}
//运行时出现异常！
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: java.lang.String cannot be cast to java.lang.Integer
    at com.test.Main.main(Main.java:14)

使用Object类型作为引用，取值只能进行强制类型转换，显然无法在编译期确定类型是否安全，项目中代码量非常之大，进行类型比较又会导致额外的开销和增加代码量，如果不经比较就很容易出现类型转换异常，代码的健壮性有所欠缺！（此方法虽然可行，但并不是最好的方法）

为了解决以上问题，JDK1.5新增了泛型，它能够在编译阶段就检查类型安全，大大提升开发效率。

public class Score<T> {   //将Score转变为泛型类<T>
    String name;
    String id;
    T score;  //T为泛型，根据用户提供的类型自动变成对应类型
    public Score(String name, String id, T score) {   //提供的score类型即为T代表的类型
        this.name = name;
        this.id = id;
        this.score = score;
    }
}

public static void main(String[] args) {
    //直接确定Score的类型是字符串类型的成绩
    Score<String> score = new Score<String>("数据结构与算法基础", "EP074512", "优秀");
    Integer i = score.score;  //编译不通过，因为成员变量score类型被定为String！
}

泛型将数据类型的确定控制在了编译阶段，在编写代码的时候就能明确泛型的类型！如果类型不符合，将无法通过编译！

泛型本质上也是一个语法糖（并不是JVM所支持的语法，编译后会转成编译器支持的语法，比如之前的foreach就是），在编译后会被擦除，变回上面的Object类型调用，但是类型转换由编译器帮我们完成，而不是我们自己进行转换（安全）

//反编译后的代码
public static void main(String[] args) {
        Score score = new Score("数据结构与算法基础", "EP074512", "优秀");
        String i = (String)score.score;   //其实依然会变为强制类型转换，但是这是由编译器帮我们完成的
    }

像这样在编译后泛型的内容消失转变为Object的情况称为类型擦除（重要，需要完全理解），所以泛型只是为了方便我们在编译阶段确定类型的一种语法而已，并不是JVM所支持的。

综上，泛型其实就是一种类型参数，用于指定类型。

泛型的使用

泛型类

上一节我们已经提到泛型类的定义，实际上就是普通的类多了一个类型参数，也就是在使用时需要指定具体的泛型类型。泛型的名称一般取单个大写字母，比如T代表Type，也就是类型的英文单词首字母，当然也可以添加数字和其他的字符。

public class Score<T> {   //将Score转变为泛型类<T>
    String name;
    String id;
    T score;  //T为泛型，根据用户提供的类型自动变成对应类型
    public Score(String name, String id, T score) {   //提供的score类型即为T代表的类型
        this.name = name;
        this.id = id;
        this.score = score;
    }
}

在一个普通类型中定义泛型，泛型T称为参数化类型，在定义泛型类的引用时，需要明确指出类型：

 Score<String> score = new Score<String>("数据结构与算法基础", "EP074512", "优秀");

此时类中的泛型T已经被替换为String了，在我们获取此对象的泛型属性时，编译器会直接告诉我们类型：

Integer i = score.score;   //编译不通过，因为成员变量score明确为String类型

注意，泛型只能用于对象属性，也就是非静态的成员变量才能使用：

static T score;   //错误，不能在静态成员上定义

由此可见，泛型是只有在创建对象后编译器才能明确泛型类型，而静态类型是类所具有的属性，不足以使得编译器完成类型推断。

泛型无法使用基本类型，如果需要基本类型，只能使用基本类型的包装类进行替换！

Score<double> score = new Score<double>("数据结构与算法基础", "EP074512", 90.5);  //编译不通过

那么为什么泛型无法使用基本类型呢？回想上一节提到的类型擦除，其实就很好理解了。由于JVM没有泛型概念，因此泛型最后还是会被编译器编译为Object，并采用强制类型转换的形式进行类型匹配，而我们的基本数据类型和引用类型之间无法进行类型转换，所以只能使用基本类型的包装类来处理。

类的泛型方法

泛型方法的使用也很简单，我们只需要把它当做一个未知的类型来使用即可：

public T getScore() {    //若方法的返回值类型为泛型，那么编译器会自动进行推断
  return score;
}

public void setScore(T score) {   //若方法的形式参数为泛型，那么实参只能是定义时的类型
  this.score = score;
}

Score<String> score = new Score<String>("数据结构与算法基础", "EP074512", "优秀");
score.setScore(10);   //编译不通过，因为只接受String类型

同样地，静态方法无法直接使用类定义的泛型（注意是无法直接使用，静态方法可以使用泛型）

自定义泛型方法

那么如果我想在静态方法中使用泛型呢？首先我们要明确之前为什么无法使用泛型，因为之前我们的泛型定义是在类上的，只有明确具体的类型才能开始使用，也就是创建对象时完成类型确定，但是静态方法不需要依附于对象，那么只能在使用时再来确定了，所以静态方法可以使用泛型，但是需要单独定义：

public static <E> void test(E e){   //在方法定义前声明泛型
  System.out.println(e);
}

同理，成员方法也能自行定义泛型，在实际使用时再进行类型确定：

public <E> void test(E e){
  System.out.println(e);
}

其实，无论是泛型类还是泛型方法，再使用时一定要能够进行类型推断，明确类型才行。

注意一定要区分类定义的泛型和方法前定义的泛型！

泛型引用

可以看到我们在定义一个泛型类的引用时，需要在后面指出此类型：

Score<Integer> score;  //声明泛型为Integer类型

如果不希望指定类型，或是希望此引用类型可以引用任意泛型的Score类对象，可以使用?通配符，来表示自动匹配任意的可用类型：

Score<?> score;   //score可以引用任意的Score类型对象了！

那么使用通配符之后，得到的泛型成员变量会是什么类型呢？

Object o = score.getScore();   //只能变为Object

因为使用了通配符，编译器就无法进行类型推断，所以只能使用原始类型。

在学习了泛型的界限后，我们还会继续了解通配符的使用。

泛型的界限

现在有一个新的需求，现在没有String类型的成绩了，但是成绩依然可能是整数，也可能是小数，这时我们不希望用户将泛型指定为除数字类型外的其他类型，我们就需要使用到泛型的上界定义：

public class Score<T extends Number> {   //设定泛型上界，必须是Number的子类
    private final String name;
    private final String id;
    private T score;

    public Score(String name, String id, T score) {
        this.name = name;
        this.id = id;
        this.score = score;
    }

    public T getScore() {
        return score;
    }
}

通过extends关键字进行上界限定，只有指定类型或指定类型的子类才能作为类型参数。

同样的，泛型通配符也支持泛型的界限：

Score<? extends Number> score;  //限定为匹配Number及其子类的类型

同理，既然泛型有上限，那么也有下限：

Score<? super Integer> score;   //限定为匹配Integer及其父类

通过super关键字进行下界限定，只有指定类型或指定类型的父类才能作为类型参数。

图解如下：

那么限定了上界后，我们再来使用这个对象的泛型成员，会变成什么类型呢？

Score<? extends Number> score = new Score<>("数据结构与算法基础", "EP074512", 10);
Number o = score.getScore();    //得到的结果为上界类型

也就是说，一旦我们指定了上界后，编译器就将范围从原始类型Object提升到我们指定的上界Number，但是依然无法明确具体类型。思考：那如果定义下限呢？

那么既然我们可以给泛型类限定上界，现在我们来看编译后结果呢：

//使用javap -l 进行反编译
public class com.test.Score<T extends java.lang.Number> {
  public com.test.Score(java.lang.String, java.lang.String, T);
    LineNumberTable:
      line 8: 0
      line 9: 4
      line 10: 9
      line 11: 14
      line 12: 19
    LocalVariableTable:
      Start  Length  Slot  Name   Signature
          0      20     0  this   Lcom/test/Score;
          0      20     1  name   Ljava/lang/String;
          0      20     2    id   Ljava/lang/String;
          0      20     3 score   Ljava/lang/Number;   //可以看到score的类型直接被编译为Number类

  public T getScore();
    LineNumberTable:
      line 15: 0
    LocalVariableTable:
      Start  Length  Slot  Name   Signature
          0       5     0  this   Lcom/test/Score;
}

因此，一旦确立上限后，编译器会自动将类型提升到上限类型。

钻石运算符

我们发现，每次创建泛型对象都需要在前后都标明类型，但是实际上后面的类型声明是可以去掉的，因为我们在传入参数时或定义泛型类的引用时，就已经明确了类型，因此JDK1.7提供了钻石运算符来简化代码：

Score<Integer> score = new Score<Integer>("数据结构与算法基础", "EP074512", 10);  //1.7之前

Score<Integer> score = new Score<>("数据结构与算法基础", "EP074512", 10);  //1.7之后

泛型与多态

泛型不仅仅可以可以定义在类上，同时也能定义在接口上：

public interface ScoreInterface<T> {
    T getScore();
    void setScore(T t);
}

当实现此接口时，我们可以选择在实现类明确泛型类型或是继续使用此泛型，让具体创建的对象来确定类型。

public class Score<T> implements ScoreInterface<T>{   //将Score转变为泛型类<T>
    private final String name;
    private final String id;
    private T score;

    public Score(String name, String id, T score) { 
        this.name = name;
        this.id = id;
        this.score = score;
    }

    public T getScore() {
        return score;
    }

    @Override
    public void setScore(T score) {
        this.score = score;
    }
}

public class StringScore implements ScoreInterface<String>{   //在实现时明确类型

    @Override
    public String getScore() {
        return null;
    }

    @Override
    public void setScore(String s) {

    }
}

抽象类同理，这里就不多做演示了。

多态类型擦除

思考一个问题，既然继承后明确了泛型类型，那么为什么@Override不会出现错误呢，重写的条件是需要和父类的返回值类型、形式参数一致，而泛型默认的原始类型是Object类型，子类明确后变为Number类型，这显然不满足重写的条件，但是为什么依然能编译通过呢？

class A<T>{
    private T t;
    public T get(){
        return t;
    }
    public void set(T t){
        this.t=t;
    }
}

class B extends A<Number>{
    private Number n;

    @Override
    public Number get(){   //这并不满足重写的要求，因为只能重写父类同样返回值和参数的方法，但是这样却能够通过编译！
        return t;
    }

    @Override
    public void set(Number t){
        this.t=t;
    }
}

通过反编译进行观察，实际上是编译器帮助我们生成了两个桥接方法用于支持重写：

@Override
public Object get(){
  return this.get();//调用返回Number的那个方法
}

@Override
public void set(Object t ){
  this.set((Number)t ); //调用参数是Number的那个方法
}