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史上最全图文讲解Java泛型

2024-04-02 19:55

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前言

泛型在java中有很重要的地位，无论是开源框架还是JDK源码都能看到它。

毫不夸张的说，泛型是通用设计上必不可少的元素，所以真正理解与正确使用泛型，是一门必修课。

一：泛型本质

Java 泛型（generics）是 JDK 5 中引入的一个新特性, 泛型提供了编译时类型安全检测机制，该机制允许程序员在编译时检测到非法的类型。

泛型的本质是参数化类型，即给类型指定一个参数，然后在使用时再指定此参数具体的值，那样这个类型就可以在使用时决定了。这种参数类型可以用在类、接口和方法中，分别被称为泛型类、泛型接口、泛型方法。

二：为什么使用泛型

泛型的好处是在编译的时候检查类型安全，并且所有的强制转换都是自动和隐式的，提高代码的重用率。

（1）保证了类型的安全性。

在没有泛型之前，从集合中读取到的每一个对象都必须进行类型转换，如果不小心插入了错误的类型对象，在运行时的转换处理就会出错。

比如：没有泛型的情况下使用集合：

public static void noGeneric() {
ArrayList names = new ArrayList();
names.add("mikechen的互联网架构");
names.add(123); //编译正常
}

有泛型的情况下使用集合：

public static void useGeneric() {
ArrayList<String> names = new ArrayList<>();
names.add("mikechen的互联网架构");
names.add(123); //编译不通过
}

有了泛型后，定义好的集合names在编译的时候add(123)就会编译不通过。

相当于告诉编译器每个集合接收的对象类型是什么，编译器在编译期就会做类型检查，告知是否插入了错误类型的对象，使得程序更加安全，增强了程序的健壮性。

（2）消除强制转换

泛型的一个附带好处是，消除源代码中的许多强制类型转换，这使得代码更加可读，并且减少了出错机会。
还是举例说明，以下没有泛型的代码段需要强制转换：

List list = new ArrayList();
list.add("hello");
String s = (String) list.get(0);

当重写为使用泛型时，代码不需要强制转换：

List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("hello");
String s = list.get(0); // no cast

（3）避免了不必要的装箱、拆箱操作，提高程序的性能

在非泛型编程中，将筒单类型作为Object传递时会引起Boxing（装箱）和Unboxing（拆箱）操作，这两个过程都是具有很大开销的。引入泛型后，就不必进行Boxing和Unboxing操作了，所以运行效率相对较高，特别在对集合操作非常频繁的系统中，这个特点带来的性能提升更加明显。

泛型变量固定了类型，使用的时候就已经知道是值类型还是引用类型，避免了不必要的装箱、拆箱操作。

object a=1;//由于是object类型，会自动进行装箱操作。
 
int b=(int)a;//强制转换，拆箱操作。这样一去一来，当次数多了以后会影响程序的运行效率。

使用泛型之后

public static T GetValue<T>(T a)
{
　　return a;
}
 
public static void Main()
{
　　int b=GetValue<int>(1);//使用这个方法的时候已经指定了类型是int，所以不会有装箱和拆箱的操作。
}

（4）提高了代码的重用性。

三：如何使用泛型

泛型有三种使用方式，分别为：泛型类、泛型接口和泛型方法。

1、泛型类

泛型类：把泛型定义在类上

定义格式：

public class 类名 <泛型类型1,...> {
    
}

注意事项：泛型类型必须是引用类型（非基本数据类型）

定义泛型类，在类名后添加一对尖括号，并在尖括号中填写类型参数，参数可以有多个，多个参数使用逗号分隔：

public class GenericClass<ab,a,c> {}

当然，这个后面的参数类型也是有规范的，不能像上面一样随意，通常类型参数我们都使用大写的单个字母表示：

T：任意类型 type
E：集合中元素的类型 element
K：key-value形式 key
V： key-value形式 value

示例代码：

泛型类：

public class GenericClass<T> {
    private T value;
 
 
    public GenericClass(T value) {
        this.value = value;
    }
    public T getValue() {
        return value;
    }
    public void setValue(T value) {
        this.value = value;
    }
}

测试类：

//TODO 1:泛型类
GenericClass<String> name = new GenericClass<>("mikechen的互联网架构");
System.out.println(name.getValue());
 
 
GenericClass<Integer> number = new GenericClass<>(123);
System.out.println(number.getValue());

运行结果：

2、泛型接口

泛型方法概述：把泛型定义在方法上

定义格式：

public <泛型类型> 返回类型 方法名（泛型类型 变量名） {
    
}

注意要点：

方法声明中定义的形参只能在该方法里使用，而接口、类声明中定义的类型形参则可以在整个接口、类中使用。当调用fun()方法时，根据传入的实际对象，编译器就会判断出类型形参T所代表的实际类型。

public interface GenericInterface<T> {
void show(T value);}
}
public class StringShowImpl implements GenericInterface<String> {
@Override
public void show(String value) {
System.out.println(value);
}}
 
public class NumberShowImpl implements GenericInterface<Integer> {
@Override
public void show(Integer value) {
System.out.println(value);
}}

注意：使用泛型的时候，前后定义的泛型类型必须保持一致，否则会出现编译异常：

GenericInterface<String> genericInterface = new NumberShowImpl();//编译异常

或者干脆不指定类型，那么 new 什么类型都是可以的：

GenericInterface g1 = new NumberShowImpl();
GenericInterface g2 = new StringShowImpl();

3、泛型方法

泛型方法，是在调用方法的时候指明泛型的具体类型。

定义格式：

修饰符<代表泛型的变量>返回值类型方法名(参数){}

例如：


    public <T> T genercMethod(T t){
        System.out.println(t.getClass());
        System.out.println(t);
        return t;
    }
 
 
public static void main(String[] args) {
    GenericsClassDemo<String> genericString  = new GenericsClassDemo("helloGeneric"); //这里的泛型跟下面调用的泛型方法可以不一样。
    String str = genericString.genercMethod("hello");//传入的是String类型,返回的也是String类型
    Integer i = genericString.genercMethod(123);//传入的是Integer类型,返回的也是Integer类型
}
 
 
class java.lang.String
hello
 
 
class java.lang.Integer
123

这里可以看出，泛型方法随着我们的传入参数类型不同，他得到的类型也不同。泛型方法能使方法独立于类而产生变化。

四：泛型通配符

Java泛型的通配符是用于解决泛型之间引用传递问题的特殊语法, 主要有以下三类:

//表示类型参数可以是任何类型
public class Apple<?>{}
 
//表示类型参数必须是A或者是A的子类
public class Apple<T extends A>{}
 
//表示类型参数必须是A或者是A的超类型
public class Apple<T supers A>{}

1. 无边界的通配符(Unbounded Wildcards), 就是, 比如List

无边界的通配符的主要作用就是让泛型能够接受未知类型的数据.

2. 固定上边界的通配符(Upper Bounded Wildcards)，采用<? extends E>的形式

使用固定上边界的通配符的泛型, 就能够接受指定类及其子类类型的数据。

要声明使用该类通配符, 采用<? extends E>的形式, 这里的E就是该泛型的上边界。

注意: 这里虽然用的是extends关键字, 却不仅限于继承了父类E的子类, 也可以代指显现了接口E的类

3. 固定下边界的通配符(Lower Bounded Wildcards)，采用<? super E>的形式

使用固定下边界的通配符的泛型, 就能够接受指定类及其父类类型的数据.。

要声明使用该类通配符, 采用<? super E>的形式, 这里的E就是该泛型的下边界.。

注意: 你可以为一个泛型指定上边界或下边界, 但是不能同时指定上下边界。

五：泛型中KTVE的含义

果点开JDK中一些泛型类的源码，我们会看到下面这些代码：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{
...
}
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
...
}

上面这些泛型类定义中的泛型参数E、K和V都是什么意思呢？其实这些参数名称是可以任意指定，就想方法的参数名一样可以任意指定，但是我们通常会起一个有意义的名称，让别人一看就知道是什么意思。泛型参数也一样，E一般是指元素，用来集合类中。

常见泛型参数名称有如下：

E： Element (在集合中使用，因为集合中存放的是元素)

T：Type（Java 类）

K： Key（键）

V： Value（值）

N： Number（数值类型）

？：表示不确定的java类型

六：泛型的实现原理

泛型本质是将数据类型参数化，它通过擦除的方式来实现，即编译器会在编译期间「擦除」泛型语法并相应的做出一些类型转换动作。

看一个例子就应该清楚了，例如：

public class Caculate<T> {
private T num;
}

我们定义了一个泛型类，定义了一个属性成员，该成员的类型是一个泛型类型，这个 T 具体是什么类型，我们也不知道，它只是用于限定类型的。

反编译一下这个 Caculate 类：

public class Caculate{
public Caculate(){}
private Object num;
}

发现编译器擦除 Caculate 类后面的两个尖括号，并且将 num 的类型定义为 Object 类型。

那么是不是所有的泛型类型都以 Object 进行擦除呢？大部分情况下，泛型类型都会以 Object 进行替换，而有一种情况则不是。那就是使用到了extends和super语法的有界类型，如：

public class Caculate<T extends String> {
private T num;
}

这种情况的泛型类型，num 会被替换为 String 而不再是 Object。

这是一个类型限定的语法，它限定 T 是 String 或者 String 的子类，也就是你构建 Caculate 实例的时候只能限定 T 为 String 或者 String 的子类，所以无论你限定 T 为什么类型，String 都是父类，不会出现类型不匹配的问题，于是可以使用 String 进行类型擦除。

实际上编译器会正常的将使用泛型的地方编译并进行类型擦除，然后返回实例。但是除此之外的是，如果构建泛型实例时使用了泛型语法，那么编译器将标记该实例并关注该实例后续所有方法的调用，每次调用前都进行安全检查，非指定类型的方法都不能调用成功。

实际上编译器不仅关注一个泛型方法的调用，它还会为某些返回值为限定的泛型类型的方法进行强制类型转换，由于类型擦除，返回值为泛型类型的方法都会擦除成 Object 类型，当这些方法被调用后，编译器会额外插入一行 checkcast 指令用于强制类型转换，这一个过程就叫做『泛型翻译』。

七：关于泛型数组要提一下

看到了很多文章中都会提起泛型数组，经过查看sun的说明文档，在java中是”不能创建一个确切的泛型类型的数组”的。

也就是说下面的这个例子是不可以的：

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

而使用通配符创建泛型数组是可以的，如下面这个例子：

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

这样也是可以的：

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

下面使用Sun的一篇文档的一个例子来说明这个问题：

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.

这种情况下，由于JVM泛型的擦除机制，在运行时JVM是不知道泛型信息的，所以可以给oa[1]赋上一个ArrayList而不会出现异常，

但是在取出数据的时候却要做一次类型转换，所以就会出现ClassCastException，如果可以进行泛型数组的声明，

上面说的这种情况在编译期将不会出现任何的警告和错误，只有在运行时才会出错。

而对泛型数组的声明进行限制，对于这样的情况，可以在编译期提示代码有类型安全问题，比没有任何提示要强很多。

下面采用通配符的方式是被允许的:数组的类型不可以是类型变量，除非是采用通配符的方式，因为对于通配符的方式，最后取出数据是要做显式的类型转换的。

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