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11.Java 基础 - 泛型

程序员文章站 2022-04-18 17:31:08
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基本概念

泛型的本质是参数化类型（Parameterized Type）的应用，也就是说所操作的数据类型被指定为一个参数，在用到的时候在指定具体的类型。

这种参数类型可以用在类、接口和方法的创建中，分别称为泛型类、泛型接口和泛型方法。

1.发展

在 JDK 1.5 之前，只能通过 Object 是所有类型的父类和类型强制转换两个特点的配合来实现类型泛化。

因此在编译期间，编译器无法检查这个 Object 的强制转型是否成功，这样容导致发生 ClassCastException （强制转换异常） 。

下面我们来看一个实例，就能知道泛型的作用：

  • 不使用泛型的情况（1.5 之前）

ArrayList arrayList = new ArrayList();
arrayList.add(100);
arrayList.add("abc");//因为不知道取出来的值的类型，类型转换的时候容易出错  String str = (String) arrayList.get(0);

  • 使用泛型的情况（1.5 之后）

ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>();
arrayList.add("abc");//因为限定了类型，所以不能添加整形,编译器会提示出错arrayList.add(100);

2.术语

// 以 ArrayList<E>,ArrayList<Integer> 为例：ArrayList<E>：泛型类型

E：类型变量（或者类型参数）

ArrayList<Integer> ：参数化的类型

Integer：类型参数的实例（或实际类型参数）

ArrayList ：原始类型

3.探究

泛型类

class Demo<T> {    private T value;

    Demo(T value) {        this.value = value;
    }    public T getValue() {        return value;
    }    public void setValue(T value) {        this.value = value;
    }
}public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Demo<String> demo = new Demo("abc");
        demo.setValue("cba");
        System.out.println(demo.getValue()); // cba
    }
}

泛型接口

interface Demo<K, V> {    void print(K k, V v);
}

class DemoImpl implements Demo<String, Integer> {    @Override
    public void print(String k, Integer v) {
        System.out.println(k + "-" + v);
    }
}public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Demo<String, Integer> demo = new DemoImpl();
        demo.print("abc", 100);
    }
}

泛型方法

public class Test {
    public static void main(String[] args) {        int num = get("abc", 100);
        System.out.println(num);
    }    // 关键 --> 多了 <K, V> ，可以理解为声明此方法为泛型方法
    public static <K, V> V get(K k, V v) {        if (k != null) {            return v;
        }        return null;
    }
}

类型限定

类型限定在泛型类、泛型接口和泛型方法中都可以使用，不过要注意下面几点：

  • 不管该限定是类还是接口，统一都使用关键字 extends

  • 可以使用 & 符号给出多个限定

  • 如果限定既有接口也有类，那么类必须只有一个，并且放在首位置。例如：

public static <T extends Comparable&Serializable> T get(T t1,T t2)

下面再来分析下类型限定的作用…

1.不对类型参数设置界限

观察下面的代码，在没有对类型参数进行类型限定时会出现编译错误。原因如下：

  • 因为在编译之前，编译器并不能确认泛型类型（T）是什么类型

  • 因此它默认 T 为原始类型（Object）。

  • 所以只能调用 Object 的方法，而不能调用 compareTo 方法。

public static <T> T get(T t1,T t2) {    //编译错误
    if(t1.compareTo(t2)>=0);    return t1;
}

2.对类型参数设置界限

当对类型参数 T 设置界限（bound）后，编译错误不再发生。因为此时编译器默认 T 的原始类型为 Comparable。

public static <T extends Comparable> T get(T t1,T t2) {    if(t1.compareTo(t2)>=0);    return t1;
}

类型擦除

  • Java 中的泛型基本上都是在编译器这个层次来实现的。

  • 在生成的 Java 字节码中是不包含泛型中的类型信息的。

  • 使用泛型时加上的类型参数，会在编译器在编译的时候去掉，这个过程就称为类型擦除。

来看下面的这个例子：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> arrayList1 =new ArrayList<String>();
        ArrayList<Integer> arrayList2 = new ArrayList<Integer>();        // true
        System.out.println(arrayList1.getClass() == arrayList2.getClass());
    }
}

观察代码，这里定义了两个ArrayList数组：

  • 一个是ArrayList泛型类型，只能存储字符串，一个是ArrayList泛型类型，只能存储整形。

  • 通过比较它们的类对象，发现结果为 true。

  • 说明泛型类型 String 和 Integer 在编译过程中都被擦除掉了，只剩下了原始类型（即 Object）。

再来看一个例子：

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        ArrayList<String> arrayList =new ArrayList<String>();
        arrayList.add("abc");
        arrayList.getClass().getMethod("add", Object.class).invoke(arrayList, 100);         for (int i=0;i<arrayList.size();i++) {  
                System.out.println(arrayList.get(i));  
            }  
    }
}

观察代码，这里定义了一个ArrayList 泛型类型实例化为 Integer 的对象

  • 如果直接调用 add 方法，那么只能存储整形的数据。

  • 利用反射调用 add 方法，却可以存储字符串。

  • 说明 Integer 泛型实例在编译之后被擦除了，只保留了原始类型。

1.原始类型

  • 原始类型（raw type）就是擦除去了泛型信息，最后在字节码中的类型变量的真正类型。

  • 任意一个泛型的类型参数，都存在对应的原始变量。

  • 一旦类型变量被擦除（crased），就会使用其限定类型（无限定的变量用 Object）替换。

// 此时 T 是一个无限定类型，所以原始类型就是 Objectclass Pair<T> { } 

// 类型变量有限定，原始类型就用第一个边界的类型变量来替换,即Comparableclass Pair<T extends Comparable& Serializable> { }  

// 此时原始类型为 Serializable，编译器在必要的时要向 Comparable 插入强制类型转换
// 为了提高效率，应该将标签（tagging）接口（即没有方法的接口）放在边界限定列表的末尾class Pair<T extends Serializable&Comparable>

2.类型参数的类型

在下面的例子中，类型参数指 T，T 的类型就是所谓的【类型参数】的类型。

观察代码，可以得出如下结论：

  • 不指定【类型参数 T 】的类型，当参数的类型不一致时，原始类型取同一父类的最小级

  • 指定【类型参数 T 】的类型时，原始类型只能为其指定的类型或类型的子类

public class Test {    // 定义泛型方法
    public static <T> T add(T x, T y) {        return y;
    }    public static void main(String[] args) {        // 1.不指定泛型

        // 两个参数都是 Integer，所以 T 为 Integer 类型
        int i = Test.add(1, 2); 

        // 两个参数分别是 Integer，Float，取同一父类的最小级，T 为 Number 类型
        Number f = Test.add(1, 1.2);        // T 为 Object
        Object o = Test.add(1, "asd");        // 2.指定泛型

        // 指定了Integer，所以只能为 Integer 类型或者其子类
        int a = Test.<Integer> add(1, 2);        //编译错误，指定了 Integer，不能为Float
        int b=Test.<Integer>add(1, 2.2); 

         // 指定为Number，所以可以为 Integer，Float
        Number c = Test.<Number> add(1, 2.2);
    }

}

3.类型检查

泛型的类型检查是针对引用的，而不针对被引用的对象本身。

在下面的例子中，list 是引用对象，因此类型检查是针对它的。

// 没有进行类型检查，等价于 ArrayList list = new ArrayLis()ArrayList list = new ArrayList<String>();
list.add(100);
list.add("hello");// 进行编译检查，等价于 ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();ArrayList<String> list = new ArrayList();
list.add("hello");
list.add(100);  // 编译错误

4.类型擦除与多态的冲突

来看下面的例子，这里定义了一个泛型类 Parent，一个实现它的子类 Son，并在子类中重写了父类的方法。

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

class Son extends Parent<String>{    @Override
    public void setValue(String value) {         super.setValue(value);
    }    @Override
    public String getValue(){        return super.getValue();}
    }

在上面提到过泛型的类型参数在编译时会被类型擦除，因此编译后的 Parent 类如下：

class Parent {    private Object value;    public Object getValue() {        return value;
    }    public void setValue(Object value) {        this.value = value;
    }
}

此时对比 Parent 与 Son 的 getValue/setValue 方法，发现方法的参数类型已经改变，从 Object -> String，这也意味着不是重写（overrride） 而是重载（overload）。

然而调用 Son 的 setValue 方法， 发现添加 Object 对象时编译错误。说明也不是重载。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Son son = new Son();
        son.setValue("hello");        // 关键 -->编译错误
        son.setValue(new Object());
    }
}

那么问题来了，通过上面的分析？Son 中定义的方法到底是重写还是重载？答案是：重写。这里 JVM 采用了桥方法（Brige）来解决类型擦除和多态引起的冲突。

我们对 Son 进行反编译（”Javap -c 类名.class”），得到如下内容：

Compiled from "Test.java"class Son extends Parent<java.lang.String> {
  Son();
    Code:       0: aload_0       
       1: invokespecial #8                  // Method Parent."<init>":()V
       4: return        

  public void setValue(java.lang.String);
    Code:       0: aload_0       
       1: aload_1       
       2: invokespecial #16                 // Method Parent.setValue:(Ljava/lang/Object;)V
       5: return        

  public java.lang.String getValue();
    Code:       0: aload_0       
       1: invokespecial #23                 // Method Parent.getValue:()Ljava/lang/Object;
       4: checkcast     #26                 // class java/lang/String
       7: areturn       

  public java.lang.Object getValue();
    Code:       0: aload_0       
       1: invokevirtual #28                 // Method getValue:()Ljava/lang/String;
       4: areturn       

  public void setValue(java.lang.Object);
    Code:       0: aload_0       
       1: aload_1       
       2: checkcast     #26                 // class java/lang/String
       5: invokevirtual #30                 // Method setValue:(Ljava/lang/String;)V
       8: return        }

发现这里共有 4 个 setValue/getValue 方法，除了 Son 表面上重写的 String 类型，编译器又自己生成了 Object 类型的方法，也称为桥方法。结果就是，编译器通过桥方法真正实现了重写，只是在访问时又去调用表面的定义的方法。

注意事项

  • 不能用基本类型实例化类型参数，可以用对应的包装类来实例化类型参数

// 编译错误ArrayList<int> list = new ArrayList<int>();// 正确写法ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();

  • 参数化类型的数组不合法

Demo<T >{
}public class Test {
    public static void main(String[] args) {        // 编译错误 --> 类型擦除导致数组变成 Object []，因此没有意义
        Demo<String>[ ]  demo =new Demo[10];
    }
}

  • 不能实例化类型变量

// 编译错误，需要类型参数需要确定类型Demo<T> demo = new Demo<T>

  • 泛型类的静态上下文中不能使用类型变量

public class Demo<T> {
    public static T name;    public static T getName() {
        ...
    }
}

  • 不能抛出也不能捕获泛型类的对象

//异常都是在运行时捕获和抛出的，而在编译的时候，泛型信息全都会被擦除掉。会导致这里捕获的类型一致try{  
}catch(Problem<Integer> e1){  
    //do Something... }catch(Problem<Number> e2){  
    // do Something ...}

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