Java 泛型总结及详解

一. 泛型概念的提出（为什么需要泛型）？

首先，我们看下下面这段简短的代码:

public class generictest {

  public static void main(string[] args) {
    list list = new arraylist();
    list.add("qqyumidi");
    list.add("corn");
    list.add(100);

    for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
      string name = (string) list.get(i); // 1
      system.out.println("name:" + name);
    }
  }
}

定义了一个list类型的集合，先向其中加入了两个字符串类型的值，随后加入一个integer类型的值。这是完全允许的，因为此时list默认的类型为object类型。在之后的循环中，由于忘记了之前在list中也加入了integer类型的值或其他编码原因，很容易出现类似于//1中的错误。因为编译阶段正常，而运行时会出现“java.lang.classcastexception”异常。因此，导致此类错误编码过程中不易发现。

 在如上的编码过程中，我们发现主要存在两个问题：

1.当我们将一个对象放入集合中，集合不会记住此对象的类型，当再次从集合中取出此对象时，改对象的编译类型变成了object类型，但其运行时类型任然为其本身类型。

2.因此，//1处取出集合元素时需要人为的强制类型转化到具体的目标类型，且很容易出现“java.lang.classcastexception”异常。

那么有没有什么办法可以使集合能够记住集合内元素各类型，且能够达到只要编译时不出现问题，运行时就不会出现“java.lang.classcastexception”异常呢？答案就是使用泛型。

二.什么是泛型？

泛型，即“参数化类型”。一提到参数，最熟悉的就是定义方法时有形参，然后调用此方法时传递实参。那么参数化类型怎么理解呢？顾名思义，就是将类型由原来的具体的类型参数化，类似于方法中的变量参数，此时类型也定义成参数形式（可以称之为类型形参），然后在使用/调用时传入具体的类型（类型实参）。

 看着好像有点复杂，首先我们看下上面那个例子采用泛型的写法。

public class generictest {

  public static void main(string[] args) {
    /*
    list list = new arraylist();
    list.add("qqyumidi");
    list.add("corn");
    list.add(100);
    */

    list<string> list = new arraylist<string>();
    list.add("qqyumidi");
    list.add("corn");
    //list.add(100);  // 1 提示编译错误

    for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
      string name = list.get(i); // 2
      system.out.println("name:" + name);
    }
  }
}

采用泛型写法后，在//1处想加入一个integer类型的对象时会出现编译错误，通过list<string>，直接限定了list集合中只能含有string类型的元素，从而在//2处无须进行强制类型转换，因为此时，集合能够记住元素的类型信息，编译器已经能够确认它是string类型了。

结合上面的泛型定义，我们知道在list<string>中，string是类型实参，也就是说，相应的list接口中肯定含有类型形参。且get()方法的返回结果也直接是此形参类型（也就是对应的传入的类型实参）。下面就来看看list接口的的具体定义：

public interface list<e> extends collection<e> {

  int size();

  boolean isempty();

  boolean contains(object o);

  iterator<e> iterator();

  object[] toarray();

  <t> t[] toarray(t[] a);

  boolean add(e e);

  boolean remove(object o);

  boolean containsall(collection<?> c);

  boolean addall(collection<? extends e> c);

  boolean addall(int index, collection<? extends e> c);

  boolean removeall(collection<?> c);

  boolean retainall(collection<?> c);

  void clear();

  boolean equals(object o);

  int hashcode();

  e get(int index);

  e set(int index, e element);

  void add(int index, e element);

  e remove(int index);

  int indexof(object o);

  int lastindexof(object o);

  listiterator<e> listiterator();

  listiterator<e> listiterator(int index);

  list<e> sublist(int fromindex, int toindex);
}

我们可以看到，在list接口中采用泛型化定义之后，<e>中的e表示类型形参，可以接收具体的类型实参，并且此接口定义中，凡是出现e的地方均表示相同的接受自外部的类型实参。

自然的，arraylist作为list接口的实现类，其定义形式是：

由此，我们从源代码角度明白了为什么//1处加入integer类型对象编译错误，且//2处get()到的类型直接就是string类型了。

public class arraylist<e> extends abstractlist<e> 
    implements list<e>, randomaccess, cloneable, java.io.serializable {
  
  public boolean add(e e) {
    ensurecapacityinternal(size + 1); // increments modcount!!
    elementdata[size++] = e;
    return true;
  }
  
  public e get(int index) {
    rangecheck(index);
    checkforcomodification();
    return arraylist.this.elementdata(offset + index);
  }
  
  //...省略掉其他具体的定义过程

}

三.自定义泛型接口、泛型类和泛型方法

从上面的内容中，大家已经明白了泛型的具体运作过程。也知道了接口、类和方法也都可以使用泛型去定义，以及相应的使用。是的，在具体使用时，可以分为泛型接口、泛型类和泛型方法。

自定义泛型接口、泛型类和泛型方法与上述java源码中的list、arraylist类似。如下，我们看一个最简单的泛型类和方法定义：

public class generictest {

  public static void main(string[] args) {

    box<string> name = new box<string>("corn");
    system.out.println("name:" + name.getdata());
  }

}

class box<t> {

  private t data;

  public box() {

  }

  public box(t data) {
    this.data = data;
  }

  public t getdata() {
    return data;
  }

}

在泛型接口、泛型类和泛型方法的定义过程中，我们常见的如t、e、k、v等形式的参数常用于表示泛型形参，由于接收来自外部使用时候传入的类型实参。那么对于不同传入的类型实参，生成的相应对象实例的类型是不是一样的呢？

public class generictest {

  public static void main(string[] args) {

    box<string> name = new box<string>("corn");
    box<integer> age = new box<integer>(712);

    system.out.println("name class:" + name.getclass());   // com.qqyumidi.box
    system.out.println("age class:" + age.getclass());    // com.qqyumidi.box
    system.out.println(name.getclass() == age.getclass());  // true

  }

}

由此，我们发现，在使用泛型类时，虽然传入了不同的泛型实参，但并没有真正意义上生成不同的类型，传入不同泛型实参的泛型类在内存上只有一个，即还是原来的最基本的类型（本实例中为box），当然，在逻辑上我们可以理解成多个不同的泛型类型。

究其原因，在于java中的泛型这一概念提出的目的，导致其只是作用于代码编译阶段，在编译过程中，对于正确检验泛型结果后，会将泛型的相关信息擦出，也就是说，成功编译过后的class文件中是不包含任何泛型信息的。泛型信息不会进入到运行时阶段。

对此总结成一句话：泛型类型在逻辑上看以看成是多个不同的类型，实际上都是相同的基本类型。 

四.类型通配符

接着上面的结论，我们知道，box<number>和box<integer>实际上都是box类型，现在需要继续探讨一个问题，那么在逻辑上，类似于box<number>和box<integer>是否可以看成具有父子关系的泛型类型呢？

为了弄清这个问题，我们继续看下下面这个例子:

public class generictest {

  public static void main(string[] args) {

    box<number> name = new box<number>(99);
    box<integer> age = new box<integer>(712);

    getdata(name);
    
    //the method getdata(box<number>) in the type generictest is 
    //not applicable for the arguments (box<integer>)
    getdata(age);  // 1

  }
  
  public static void getdata(box<number> data){
    system.out.println("data :" + data.getdata());
  }

}

我们发现，在代码//1处出现了错误提示信息：the method getdata(box<number>) in the t ype generictest is not applicable for the arguments (box<integer>)。显然，通过提示信息，我们知道box<number>在逻辑上不能视为box<integer>的父类。那么，原因何在呢？

public class generictest {

  public static void main(string[] args) {

    box<integer> a = new box<integer>(712);
    box<number> b = a; // 1
    box<float> f = new box<float>(3.14f);
    b.setdata(f);    // 2

  }

  public static void getdata(box<number> data) {
    system.out.println("data :" + data.getdata());
  }

}

class box<t> {

  private t data;

  public box() {

  }

  public box(t data) {
    setdata(data);
  }

  public t getdata() {
    return data;
  }

  public void setdata(t data) {
    this.data = data;
  }

}

这个例子中，显然//1和//2处肯定会出现错误提示的。在此我们可以使用反证法来进行说明。

假设box<number>在逻辑上可以视为box<integer>的父类，那么//1和//2处将不会有错误提示了，那么问题就出来了，通过getdata()方法取出数据时到底是什么类型呢？integer? float? 还是number？且由于在编程过程中的顺序不可控性，导致在必要的时候必须要进行类型判断，且进行强制类型转换。显然，这与泛型的理念矛盾，因此，在逻辑上box<number>不能视为box<integer>的父类。

好，那我们回过头来继续看“类型通配符”中的第一个例子，我们知道其具体的错误提示的深层次原因了。那么如何解决呢？总部能再定义一个新的函数吧。这和java中的多态理念显然是违背的，因此，我们需要一个在逻辑上可以用来表示同时是box<integer>和box<number>的父类的一个引用类型，由此，类型通配符应运而生。

类型通配符一般是使用 ? 代替具体的类型实参。注意了，此处是类型实参，而不是类型形参！且box<?>在逻辑上是box<integer>、box<number>...等所有box<具体类型实参>的父类。由此，我们依然可以定义泛型方法，来完成此类需求。

public class generictest {

  public static void main(string[] args) {

    box<string> name = new box<string>("corn");
    box<integer> age = new box<integer>(712);
    box<number> number = new box<number>(314);

    getdata(name);
    getdata(age);
    getdata(number);
  }

  public static void getdata(box<?> data) {
    system.out.println("data :" + data.getdata());
  }

}

有时候，我们还可能听到类型通配符上限和类型通配符下限。具体有是怎么样的呢？

在上面的例子中，如果需要定义一个功能类似于getdata()的方法，但对类型实参又有进一步的限制：只能是number类及其子类。此时，需要用到类型通配符上限。

public class generictest {

  public static void main(string[] args) {

    box<string> name = new box<string>("corn");
    box<integer> age = new box<integer>(712);
    box<number> number = new box<number>(314);

    getdata(name);
    getdata(age);
    getdata(number);
    
    //getuppernumberdata(name); // 1
    getuppernumberdata(age);  // 2
    getuppernumberdata(number); // 3
  }

  public static void getdata(box<?> data) {
    system.out.println("data :" + data.getdata());
  }
  
  public static void getuppernumberdata(box<? extends number> data){
    system.out.println("data :" + data.getdata());
  }

}

此时，显然，在代码//1处调用将出现错误提示，而//2 //3处调用正常。

类型通配符上限通过形如box<? extends number>形式定义，相对应的，类型通配符下限为box<? super number>形式，其含义与类型通配符上限正好相反，在此不作过多阐述了。

五.话外篇

本文中的例子主要是为了阐述泛型中的一些思想而简单举出的，并不一定有着实际的可用性。另外，一提到泛型，相信大家用到最多的就是在集合中，其实，在实际的编程过程中，自己可以使用泛型去简化开发，且能很好的保证代码质量。并且还要注意的一点是，java中没有所谓的泛型数组一说。

对于泛型，最主要的还是需要理解其背后的思想和目的。

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