Java 泛型深入解析：理解泛型原理与实际应用方法
6.6 Java泛型，深入解析
“二哥，为什么要设计泛型啊？”三妹开门见山地问。
“三妹啊，听哥慢慢给你讲啊。”我说。
Java 在 1.5 时增加了泛型机制，据说专家们为此花费了 5 年左右的时间（听起来是相当不容易）。有了泛型之后，尤其是对集合类的使用，就变得更规范了。
看下面这段简单的代码。
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("沉默王二");
String str = list.get(0);
“三妹，你能想象到在没有泛型之前该怎么办吗？”
“嗯，想不到，还是二哥你说吧。”
嗯，我们可以使用 Object 数组来设计 Arraylist 类。
class Arraylist {
private Object[] objs;
private int i = 0;
public void add(Object obj) {
objs[i++] = obj;
}
public Object get(int i) {
return objs[i];
}
}
然后，我们向 Arraylist 中存取数据。
Arraylist list = new Arraylist();
list.add("沉默王二");
list.add(new Date());
String str = (String)list.get(0);
“三妹，你有没有发现这两个问题？”
- Arraylist 可以存放任何类型的数据（既可以存字符串，也可以混入日期），因为所有类都继承自 Object 类。
- 从 Arraylist 取出数据的时候需要强制类型转换，因为编译器并不能确定你取的是字符串还是日期。
“嗯嗯，是的呢。”三妹说。
对比一下，你就能明显地感受到泛型的优秀之处：使用类型参数解决了元素的不确定性——参数类型为 String 的集合中是不允许存放其他类型元素的，取出数据的时候也不需要强制类型转换了。
动手设计一个泛型
“二哥，那怎么才能设计一个泛型呢？”
“三妹啊，你一个小白只要会用泛型就行了，还想设计泛型啊？！不过，既然你想了解，哥义不容辞。”
首先，我们来按照泛型的标准重新设计一下 Arraylist 类。
class Arraylist<E> {
private Object[] elementData;
private int size = 0;
public Arraylist(int initialCapacity) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
public boolean add(E e) {
elementData[size++] = e;
return true;
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
}
一个泛型类就是具有一个或多个类型变量的类。Arraylist 类引入的类型变量为 E（Element，元素的首字母），使用尖括号 <> 括起来，放在类名的后面。
然后，我们可以用具体的类型（比如字符串）替换类型变量来实例化泛型类。
Arraylist<String> list = new Arraylist<String>();
list.add("沉默王三");
String str = list.get(0);
Date 类型也可以的。
Arraylist<Date> list = new Arraylist<Date>();
list.add(new Date());
Date date = list.get(0);
其次，我们还可以在一个非泛型的类（或者泛型类）中定义泛型方法。
class Arraylist<E> {
public <T> T[] toArray(T[] a) {
return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
}
}
不过，说实话，泛型方法的定义看起来略显晦涩。来一副图吧（注意：方法返回类型和方法参数类型至少需要一个）。
现在，我们来调用一下泛型方法。
Arraylist<String> list = new Arraylist<>(4);
list.add("沉");
list.add("默");
list.add("王");
list.add("二");
String [] strs = new String [4];
strs = list.toArray(strs);
for (String str : strs) {
System.out.println(str);
}
泛型限定符
然后，我们再来说说泛型变量的限定符 extends。
在解释这个限定符之前，我们假设有三个类，它们之间的定义是这样的。
class Wanglaoer {
public String toString() {
return "王老二";
}
}
class Wanger extends Wanglaoer{
public String toString() {
return "王二";
}
}
class Wangxiaoer extends Wanger{
public String toString() {
return "王小二";
}
}
我们使用限定符 extends 来重新设计一下 Arraylist 类。
class Arraylist<E extends Wanger> {
}
当我们向 Arraylist 中添加 Wanglaoer 元素的时候，编译器会提示错误：Arraylist 只允许添加 Wanger 及其子类 Wangxiaoer 对象，不允许添加其父类 Wanglaoer。
Arraylist<Wanger> list = new Arraylist<>(3);
list.add(new Wanger());
list.add(new Wanglaoer());
// The method add(Wanger) in the type Arraylist<Wanger> is not applicable for the arguments
// (Wanglaoer)
list.add(new Wangxiaoer());
也就是说，限定符 extends 可以缩小泛型的类型范围。
类型擦除
“哦，明白了。”三妹若有所思的点点头，“二哥，听说虚拟机没有泛型？”
“三妹，你功课做得可以啊。哥可以肯定地回答你，虚拟机是没有泛型的。”
“怎么确定虚拟机有没有泛型呢？”三妹问。
“只要我们把泛型类的字节码进行反编译就看到了！”用反编译工具（我写这篇文章的时候用的是 jad，你也可以用其他的工具）将 class 文件反编译后，我说，“三妹，你看。”
// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3)
// Source File Name: Arraylist.java
package com.cmower.java_demo.fanxing;
import java.util.Arrays;
class Arraylist
{
public Arraylist(int initialCapacity)
{
size = 0;
elementData = new Object[initialCapacity];
}
public boolean add(Object e)
{
elementData[size++] = e;
return true;
}
Object elementData(int index)
{
return elementData[index];
}
private Object elementData[];
private int size;
}
类型变量 <E> 消失了，取而代之的是 Object ！
“既然如此，那如果泛型类使用了限定符 extends，结果会怎么样呢？”三妹这个问题问的很巧妙。
来看这段代码。
class Arraylist2<E extends Wanger> {
private Object[] elementData;
private int size = 0;
public Arraylist2(int initialCapacity) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
public boolean add(E e) {
elementData[size++] = e;
return true;
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
}
反编译后的结果如下。
// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3)
// Source File Name: Arraylist2.java
package com.cmower.java_demo.fanxing;
// Referenced classes of package com.cmower.java_demo.fanxing:
// Wanger
class Arraylist2
{
public Arraylist2(int initialCapacity)
{
size = 0;
elementData = new Object[initialCapacity];
}
public boolean add(Wanger e)
{
elementData[size++] = e;
return true;
}
Wanger elementData(int index)
{
return (Wanger)elementData[index];
}
private Object elementData[];
private int size;
}
“你看，类型变量 <E extends Wanger> 不见了，E 被替换成了 Wanger”，我说，“通过以上两个例子说明，Java 虚拟机会将泛型的类型变量擦除，并替换为限定类型（没有限定的话，就用 Object）”
“二哥，类型擦除会有什么问题吗？”三妹又问了一个很有水平的问题。
“三妹啊，你还别说，类型擦除真的会有一些问题。”我说，“来看一下这段代码。”
public class Cmower {
public static void method(Arraylist<String> list) {
System.out.println("Arraylist<String> list");
}
public static void method(Arraylist<Date> list) {
System.out.println("Arraylist<Date> list");
}
}
在浅层的意识上，我们会想当然地认为 Arraylist<String> list 和 Arraylist<Date> list 是两种不同的类型，因为 String 和 Date 是不同的类。
但由于类型擦除的原因，以上代码是不会通过编译的——编译器会提示一个错误（这正是类型擦除引发的那些“问题”）：
>Erasure of method method(Arraylist<String>) is the same as another method in type
Cmower
>
>Erasure of method method(Arraylist<Date>) is the same as another method in type
Cmower
大致的意思就是，这两个方法的参数类型在擦除后是相同的。
也就是说，method(Arraylist<String> list) 和 method(Arraylist<Date> list) 是同一种参数类型的方法，不能同时存在。类型变量 String 和 Date 在擦除后会自动消失，method 方法的实际参数是 Arraylist list。
有句俗话叫做：“百闻不如一见”，但即使见到了也未必为真——泛型的擦除问题就可以很好地佐证这个观点。
泛型通配符
“哦，明白了。二哥，听说泛型还有通配符？”
“三妹啊，哥突然觉得你很适合作一枚可爱的程序媛啊！你这预习的功课做得可真到家啊，连通配符都知道！”
通配符使用英文的问号（?）来表示。在我们创建一个泛型对象时，可以使用关键字 extends 限定子类，也可以使用关键字 super 限定父类。
我们来看下面这段代码。
// 定义一个泛型类 Arraylist<E>，E 表示元素类型
class Arraylist<E> {
// 私有成员变量，存储元素数组和元素数量
private Object[] elementData;
private int size = 0;
// 构造函数，传入初始容量 initialCapacity，创建一个指定容量的 Object 数组
public Arraylist(int initialCapacity) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
// 添加元素到数组末尾，返回添加成功与否
public boolean add(E e) {
elementData[size++] = e;
return true;
}
// 获取指定下标的元素
public E get(int index) {
return (E) elementData[index];
}
// 查找指定元素第一次出现的下标，如果找不到则返回 -1
public int indexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
// 判断指定元素是否在数组中出现
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
// 将数组中的元素转化成字符串输出
public String toString() {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (Object o : elementData) {
if (o != null) {
E e = (E)o;
sb.append(e.toString());
sb.append(',').append(' ');
}
}
return sb.toString();
}
// 返回数组中元素的数量
public int size() {
return size;
}
// 修改指定下标的元素，返回修改前的元素
public E set(int index, E element) {
E oldValue = (E) elementData[index];
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
}
1）新增 indexOf(Object o) 方法，判断元素在 Arraylist 中的位置。注意参数为 Object 而不是泛型 E。
2）新增 contains(Object o) 方法，判断元素是否在 Arraylist 中。注意参数为 Object 而不是泛型 E。
3）新增 toString() 方法，方便对 Arraylist 进行打印。
4）新增 set(int index, E element) 方法，方便对 Arraylist 元素的更改。
因为泛型擦除的原因，Arraylist<Wanger> list = new Arraylist<Wangxiaoer>(); 这样的语句是无法通过编译的，尽管 Wangxiaoer 是 Wanger 的子类。但如果我们确实需要这种 “向上转型” 的关系，该怎么办呢？这时候就需要通配符来发挥作用了。
利用 <? extends Wanger> 形式的通配符，可以实现泛型的向上转型，来看例子。
Arraylist<? extends Wanger> list2 = new Arraylist<>(4);
list2.add(null);
// list2.add(new Wanger());
// list2.add(new Wangxiaoer());
Wanger w2 = list2.get(0);
// Wangxiaoer w3 = list2.get(1);
list2 的类型是 Arraylist<? extends Wanger>，翻译一下就是，list2 是一个 Arraylist，其类型是 Wanger 及其子类。
注意，“关键”来了！list2 并不允许通过 add(E e) 方法向其添加 Wanger 或者 Wangxiaoer 的对象，唯一例外的是 null。
“那就奇了怪了，既然不让存放元素，那要 Arraylist<? extends Wanger> 这样的 list2 有什么用呢？”三妹好奇地问。
虽然不能通过 add(E e) 方法往 list2 中添加元素，但可以给它赋值。
Arraylist<Wanger> list = new Arraylist<>(4);
Wanger wanger = new Wanger();
list.add(wanger);
Wangxiaoer wangxiaoer = new Wangxiaoer();
list.add(wangxiaoer);
Arraylist<? extends Wanger> list2 = list;
Wanger w2 = list2.get(1);
System.out.println(w2);
System.out.println(list2.indexOf(wanger));
System.out.println(list2.contains(new Wangxiaoer()));
Arraylist<? extends Wanger> list2 = list; 语句把 list 的值赋予了 list2，此时 list2 == list。由于 list2 不允许往其添加其他元素，所以此时它是安全的——我们可以从容地对 list2 进行 get()、indexOf() 和 contains()。想一想，如果可以向 list2 添加元素的话，这 3 个方法反而变得不太安全，它们的值可能就会变。
利用 <? super Wanger> 形式的通配符，可以向 Arraylist 中存入父类是 Wanger 的元素，来看例子。
Arraylist<? super Wanger> list3 = new Arraylist<>(4);
list3.add(new Wanger());
list3.add(new Wangxiaoer());
// Wanger w3 = list3.get(0);
需要注意的是，无法从 Arraylist<? super Wanger> 这样类型的 list3 中取出数据。
小结
好了，三妹，关于泛型，我们再来做一个简单的总结。
在 Java 中，泛型是一种强类型约束机制，可以在编译期间检查类型安全性，并且可以提高代码的复用性和可读性。
1）类型参数化
泛型的本质是参数化类型，也就是说，在定义类、接口或方法时，可以使用一个或多个类型参数来表示参数化类型。
例如这样可以定义一个泛型类。
public class Box<T> {
private T value;
public Box(T value) {
this.value = value;
}
public T getValue() {
return value;
}
public void setValue(T value) {
this.value = value;
}
}
在这个例子中，<T> 表示类型参数，可以在类中任何需要使用类型的地方使用 T 代替具体的类型。通过使用泛型，我们可以创建一个可以存储任何类型对象的盒子。
Box<Integer> intBox = new Box<>(123);
Box<String> strBox = new Box<>("Hello, world!");
泛型在实际开发中的应用非常广泛，例如集合框架中的 List、Set、Map 等容器类，以及并发框架中的 Future、Callable 等工具类都使用了泛型。
2）类型擦除
在 Java 的泛型机制中，有两个重要的概念：类型擦除和通配符。
泛型在编译时会将泛型类型擦除，将泛型类型替换成 Object 类型。这是为了向后兼容，避免对原有的 Java 代码造成影响。
例如，对于下面的代码：
List<Integer> intList = new ArrayList<>();
intList.add(123);
int value = intList.get(0);
在编译时，Java 编译器会将泛型类型 List<Integer> 替换成 List<Object>，将 get 方法的返回值类型 Integer 替换成 Object，生成的字节码与下面的代码等价：
List intList = new ArrayList();
intList.add(Integer.valueOf(123));
int value = (Integer) intList.get(0);
Java 泛型只在编译时起作用，运行时并不会保留泛型类型信息。
3）通配符
通配符用于表示某种未知的类型，例如 List<?> 表示一个可以存储任何类型对象的 List，但是不能对其中的元素进行添加操作。通配符可以用来解决类型不确定的情况，例如在方法参数或返回值中使用。
使用通配符可以使方法更加通用，同时保证类型安全。
例如，定义一个泛型方法：
public static void printList(List<?> list) {
for (Object obj : list) {
System.out.print(obj + " ");
}
System.out.println();
}
这个方法可以接受任意类型的 List，例如 List<Integer>、List<String> 等等。
上限通配符
泛型还提供了上限通配符 <? extends T>，表示通配符只能接受 T 或 T 的子类。使用上限通配符可以提高程序的类型安全性。
例如，定义一个方法，只接受 Number 及其子类的 List：
public static void printNumberList(List<? extends Number> list) {
for (Number num : list) {
System.out.print(num + " ");
}
System.out.println();
}
这个方法可以接受 List<Integer>、List<Double> 等等。
下限通配符
下限通配符（Lower Bounded Wildcards）用 super 关键字来声明，其语法形式为 <? super T>，其中 T 表示类型参数。它表示的是该类型参数必须是某个指定类的超类（包括该类本身）。
当我们需要往一个泛型集合中添加元素时，如果使用的是上限通配符，集合中的元素类型可能会被限制，从而无法添加某些类型的元素。但是，如果我们使用下限通配符，可以将指定类型的子类型添加到集合中，保证了元素的完整性。
举个例子，假设有一个类 Animal，以及两个子类 Dog 和 Cat。现在我们有一个 List<? super Dog> 集合，它的类型参数必须是 Dog 或其父类类型。我们可以向该集合中添加 Dog 类型的元素，也可以添加它的子类。但是，不能向其中添加 Cat 类型的元素，因为 Cat 不是 Dog 的子类。
下面是一个使用下限通配符的示例：
List<? super Dog> animals = new ArrayList<>();
// 可以添加 Dog 类型的元素和其子类型元素
animals.add(new Dog());
animals.add(new Bulldog());
// 不能添加 Cat 类型的元素
animals.add(new Cat()); // 编译报错
需要注意的是，虽然使用下限通配符可以添加某些子类型元素，但是在读取元素时，我们只能确保其是 Object 类型的，无法确保其是指定类型或其父类型。因此，在读取元素时需要进行类型转换，如下所示：
List<? super Dog> animals = new ArrayList<>();
animals.add(new Dog());
// 读取元素时需要进行类型转换
Object animal = animals.get(0);
Dog dog = (Dog) animal;
总的来说，Java 的泛型机制是一种非常强大的类型约束机制，可以在编译时检查类型安全性，并提高代码的复用性和可读性。但是，在使用泛型时也需要注意类型擦除和通配符等问题，以确保代码的正确性。
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