泛型 - Java泛型基础一网打尽 - 《Java 知识图谱大全》

概述

JDK 5.0 引入了 Java 泛型，允许设计者详细地描述变量和方法的类型要如何变化，使得代码具有更好的可读性。本文章是对 Java 中泛型的快速介绍，包含泛型背后的目标以及使用泛型如何提高我们代码的质量。

为什么要引入泛型？

在没有泛型的背景下，让我们想象一个场景，我们要在 Java 中创建一个List来存储Integer。

代码如下：

List list = new LinkedList();
list.add(new Integer(1)); 
Integer i = list.iterator().next();

果不其然，IDEA会直接提醒需要强制转换

我们对代码进行修改，如下所示：

Integer i = (Integer) list.iterator.next();

在没有泛型的前提下，定义的List可以保存任何对象，当我们遍历时候，根据上下文进行判断，只能保证它是一个Object,所以需要我们显示转换。

我们知道List中的数据类型是Integer,可以直接强制转换，如果我们不知道或者强制转换时候写错类型，就会导致报错，一场灾难就这样发生了。

这时候，就有人想了，我能不能在使用List时候就指定保存的类型，编译阶段来帮我保证类型的正确性，那就可以完全避免让人讨厌的强制转换，所以，泛型就因运而生了。

让我们修改前面代码片段的第一行：

List<Integer> list = new LinkedList<>();

通过添加包含类型的菱形运算符 <>，我们将List能保存的类型限制到只有Integer类型，编译器可以在编译时强制执行类型。

泛型方法

对于泛型方法，我们可以用不同类型的参数调用它们。编译器将确保我们使用的任何类型的正确性。

泛型方法属性：

泛型方法在方法声明的返回类型之前有一个类型参数（包含类型的菱形运算符）。
类型参数可以是有界的（我们将在本文后面解释边界）。
泛型方法可以在方法签名中具有用逗号分隔的不同类型参数。
泛型方法的方法体就像普通方法一样。

这是定义将数组转换为List的泛型方法的示例：

public <T> List<T> fromArrayToList(T[] a) {   
    return Arrays.stream(a).collect(Collectors.toList());
}

方法签名中的表明该方法将处理泛型类型T。即使该方法返回 void，这也是必需的。

如前所述，该方法可以处理多个泛型类型。在这种情况下，我们必须将所有泛型类型添加到方法签名中。

以下是我们如何修改上述方法以处理类型T和类型G：

public static <T, G> List<G> fromArrayToList(T[] a, Function<T, G> mapperFunction) {
    return Arrays.stream(a)
      .map(mapperFunction)
      .collect(Collectors.toList());
}

我们正在传递一个函数，该函数将具有T类型元素的数组转换为具有G类型元素的列表。

一个例子是将Integer转换为它的String表示：

@Test
public void givenArrayOfIntegers_thanListOfStringReturnedOK() {
    Integer[] intArray = {1, 2, 3, 4, 5};
    List<String> stringList
      = Generics.fromArrayToList(intArray, Object::toString);
    assertThat(stringList, hasItems("1", "2", "3", "4", "5"));
}

请注意，Oracle 建议使用大写字母来表示泛型类型，并选择更具描述性的字母来表示正式类型。在 Java 集合中，我们使用T表示类型，K表示键，V表示值。

有界泛型

类型参数可以有界，我们可以限制方法接受的类型。例如，我们可以指定一个方法接受一个类型及其所有子类（上限）或一个类型及其所有超类（下限）。要声明上界类型，我们在类型后使用关键字extends，要声明下界类型，我们在类型后使用关键字super

例子：

public <T extends Number> List<T> fromArrayToList(T[] a) {
    ...
}

我们在这里使用关键字 extends 表示类型 T 在类的情况下扩展上限或在接口的情况下实现上限。

多重边界

一个类型也可以有多个上限：

<T extends Number & Comparable>

如果T扩展的类型之一是一个类（例如Number），我们必须将它放在边界列表中的第一个。否则会导致编译时错误。

在泛型中使用通配符

在Java中，通配符由?表示，我们使用它们来指代未知类型。通配符对泛型特别有用，可以用作参数类型。

首先，我们知道Object是所有 Java 类的超类型。但是，Object的集合不是任何集合的超类型。所以，一个List不是List的超类型，二者直接没有任何关系

例子：

public static void paintAllBuildings(List<Building> buildings) {
    buildings.forEach(Building::paint);
}

假如现在有一个Building 的子类型，叫House，我们不能将这个方法用于 House 的列表，即使 House 是 Building 的一个子类型。

如果我们需要将此方法与类型 Building 及其所有子类型一起使用，则有界通配符可以发挥作用：

public static void paintAllBuildings(List<? extends Building> buildings) {
    ...
}

现在此方法将适用于类型 Building 及其所有子类型。这称为上限通配符，其中类型 Building 是上限。

我们还可以指定具有下限的通配符，其中未知类型必须是指定类型的超类型。可以使用 super 关键字后跟特定类型来指定下限。例如，<? super T> 表示未知类型，它是 T 的超类（= T 及其所有父类）。

类型擦除

Java 中添加了泛型以确保类型安全。并且为了确保泛型不会在运行时造成开销，编译器在编译时对泛型应用了一个称为类型擦除的过程。

如果类型参数是无界的，则类型擦除会删除所有类型参数并用它们的边界或Object替换它们。这样，编译后的字节码只包含正常的类、接口和方法，确保不会产生新的类型。在编译时也将正确的转换应用于 Object 类型。

这是类型擦除的示例：

public <T> List<T> genericMethod(List<T> list) {
    return list.stream().collect(Collectors.toList());
}

使用类型擦除，无界类型T被替换为Object：

public List<Object> withErasure(List<Object> list) {
    return list.stream().collect(Collectors.toList());
}
public List withErasure(List list) {
    return list.stream().collect(Collectors.toList());
}

如果类型是有界的，则在编译时该类型将被边界替换：

public <T extends Building> void genericMethod(T t) {
    ...
}

编译后：

public void genericMethod(Building t) {
    ...
}

泛型和原始数据类型

Java 中泛型的一个限制是类型参数不能是基本类型。

例如，以下不能编译：

List<int> list = new ArrayList<>();
list.add(17);

要理解基本类型为什么不起作用，让我们记住泛型是一个编译时特性，这意味着类型参数被删除并且所有泛型类型都实现为类型Object。

我们来看一个列表的add方法：

List<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(17);

add方法的签名是：

boolean add(E e);

并将被编译为：

boolean add(Object e);

因此，类型参数必须可转换为Object。由于基本类型不扩展Object，我们不能将它们用作类型参数。

然而，Java 为原语提供了装箱类型，以及自动装箱和拆箱来解包它们：

Integer a = 17;
int b = a;

所以，如果我们想创建一个可以容纳整数的列表，我们可以使用这个包装器：

List<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(17);
int first = list.get(0);

编译后的代码将等效于以下内容：

List list = new ArrayList<>();
list.add(Integer.valueOf(17));
int first = ((Integer) list.get(0)).intValue();

结论

Java 泛型是对 Java 语言的强大补充，因为它使程序员的工作更轻松且不易出错。泛型在编译时强制类型正确，最重要的是，可以实现泛型算法而不会对我们的应用程序造成任何额外开销。