Java泛型簡明教程
關(guān)于Java泛型的教程，免費的，不免費的，有很多。我遇到的最好的教材有：
Java Generics and Collections, by Maurice Naftalin and Philip Wadler
Effective Java中文版(第2版), by Joshua Bloch.
盡管有這么多豐富的資料，有時我感覺，有很多的程序員仍然不太明白Java泛型的功用和意義。這就是為什么我想使用一種最簡單的形式來總結(jié)一下程序員需要知道的關(guān)于Java泛型的最基本的知識。
Java泛型由來的動機
理解Java泛型最簡單的方法是把它看成一種便捷語法，能節(jié)省你某些Java類型轉(zhuǎn)換(casting)上的操作：
- List<Apple> box = ...;
- Apple apple = box.get(0);
上面的代碼自身已表達的很清楚：box是一個裝有Apple對象的List。get方法返回一個Apple對象實例，這個過程不需要進行類型轉(zhuǎn)換。沒有泛型，上面的代碼需要寫成這樣：
- List box = ...;
- Apple apple = (Apple) box.get(0);
很明顯，泛型的主要好處就是讓編譯器保留參數(shù)的類型信息，執(zhí)行類型檢查，執(zhí)行類型轉(zhuǎn)換操作：編譯器保證了這些類型轉(zhuǎn)換的絕對無誤。
相對于依賴程序員來記住對象類型、執(zhí)行類型轉(zhuǎn)換——這會導致程序運行時的失敗，很難調(diào)試和解決，而編譯器能夠幫助程序員在編譯時強制進行大量的類型檢查，發(fā)現(xiàn)其中的錯誤。
泛型的構(gòu)成
由泛型的構(gòu)成引出了一個類型變量的概念。根據(jù)Java語言規(guī)范，類型變量是一種沒有限制的標志符，產(chǎn)生于以下幾種情況：
◆ 泛型類聲明
◆ 泛型接口聲明
◆ 泛型方法聲明
◆ 泛型構(gòu)造器(constructor)聲明
泛型類和接口
如果一個類或接口上有一個或多個類型變量，那它就是泛型。類型變量由尖括號界定，放在類或接口名的后面：
- public interface List<T> extends Collection<T> {
- ...
- }
簡單的說，類型變量扮演的角色就如同一個參數(shù)，它提供給編譯器用來類型檢查的信息。
Java類庫里的很多類，例如整個Collection框架都做了泛型化的修改。例如，我們在上面的第一段代碼里用到的List接口就是一個泛型類。在那段代碼里，box是一個List
實際上，這新出現(xiàn)的泛型標記，或者說這個List接口里的get方法是這樣的：
- T get(int index);
get方法實際返回的是一個類型為T的對象，T是在List<T>聲明中的類型變量。
泛型方法和構(gòu)造器(Constructor)
非常的相似，如果方法和構(gòu)造器上聲明了一個或多個類型變量，它們也可以泛型化。
- public static <t> T getFirst(List<T> list)
這個方法將會接受一個List<T>類型的參數(shù)，返回一個T類型的對象。
例子
你既可以使用Java類庫里提供的泛型類，也可以使用自己的泛型類。
類型安全的寫入數(shù)據(jù)…
下面的這段代碼是個例子，我們創(chuàng)建了一個List<String>實例，然后裝入一些數(shù)據(jù)：
- List<String> str = new ArrayList<String>();
- str.add("Hello ");
- str.add("World.");
如果我們試圖在List<String>裝入另外一種對象，編譯器就會提示錯誤：
- str.add(1); // 不能編譯
類型安全的讀取數(shù)據(jù)…
當我們在使用List<String>對象時，它總能保證我們得到的是一個String對象：
- String myString = str.get(0);
遍歷
類庫中的很多類，諸如Iterator<T>，功能都有所增強，被泛型化。List<T>接口里的iterator()方法現(xiàn)在返回的是Iterator<T>，由它的T next()方法返回的對象不需要再進行類型轉(zhuǎn)換，你直接得到正確的類型。
- for (Iterator<String> iter = str.iterator(); iter.hasNext();) {
- String s = iter.next();
- System.out.print(s);
- }
使用foreach
“for each”語法同樣受益于泛型。前面的代碼可以寫出這樣：
- for (String s: str) {
- System.out.print(s);
- }
這樣既容易閱讀也容易維護。
自動封裝(Autoboxing)和自動拆封(Autounboxing)
在使用Java泛型時，autoboxing/autounboxing這兩個特征會被自動的用到，就像下面的這段代碼：
- List<Integer> ints = new ArrayList<Integer>();
- ints.add(0);
- ints.add(1);
- int sum = 0;
- for (int i : ints) {
- sum += i;
- }
然而，你要明白的一點是，封裝和解封會帶來性能上的損失，所有，通用要謹慎的使用。
子類型
在Java中，跟其它具有面向?qū)ο箢愋偷恼Z言一樣，類型的層級可以被設計成這樣：
在Java中，類型T的子類型既可以是類型T的一個擴展，也可以是類型T的一個直接或非直接實現(xiàn)(如果T是一個接口的話)。因為“成為某類型的子類型”是一個具有傳遞性質(zhì)的關(guān)系，如果類型A是B的一個子類型，B是C的子類型，那么A也是C的子類型。在上面的圖中：
◆ FujiApple(富士蘋果)是Apple的子類型
◆ Apple是Fruit(水果)的子類型
◆ FujiApple(富士蘋果)是Fruit(水果)的子類型
所有Java類型都是Object類型的子類型。
B類型的任何一個子類型A都可以被賦給一個類型B的聲明：
- Apple a = ...;
- Fruit f = a;
泛型類型的子類型
如果一個Apple對象的實例可以被賦給一個Fruit對象的聲明，就像上面看到的，那么，List<Apple> 和 a List<Fruit>之間又是個什么關(guān)系呢？更通用些，如果類型A是類型B的子類型，那C<A> 和 C<B>之間是什么關(guān)系？
答案會出乎你的意料：沒有任何關(guān)系。用更通俗的話，泛型類型跟其是否子類型沒有任何關(guān)系。
這意味著下面的這段代碼是無效的：
- List<Apple> apples = ...;
- List<Fruit> fruits = apples;
下面的同樣也不允許：
- List<Apple> apples;
- List<Fruit> fruits = ...;
- apples = fruits;
為什么？一個蘋果是一個水果，為什么一箱蘋果不能是一箱水果？
在某些事情上，這種說法可以成立，但在類型(類)封裝的狀態(tài)和操作上不成立。如果把一箱蘋果當成一箱水果會發(fā)生什么情況？
- List<Apple> apples = ...;
- List<Fruit> fruits = apples;
- fruits.add(new Strawberry());
如果可以這樣的話，我們就可以在list里裝入各種不同的水果子類型，這是絕對不允許的。
另外一種方式會讓你有更直觀的理解：一箱水果不是一箱蘋果，因為它有可能是一箱另外一種水果，比如草莓(子類型)。
#p#
這是一個需要注意的問題嗎？
應該不是個大問題。而程序員對此感到意外的最大原因是數(shù)組和泛型類型上用法的不一致。對于泛型類型，它們和類型的子類型之間是沒什么關(guān)系的。而對于數(shù)組，它們和子類型是相關(guān)的：如果類型A是類型B的子類型，那么A[]是B[]的子類型：
- Apple[] apples = ...;
- Fruit[] fruits = apples;
可是稍等一下！如果我們把前面的那個議論中暴露出的問題放在這里，我們?nèi)匀荒軌蛟谝粋€apple類型的數(shù)組中加入strawberrie(草莓)對象：
- Apple[] apples = new Apple[1];
- Fruit[] fruits = apples;
- fruits[0] = new Strawberry();
這樣寫真的可以編譯，但是在運行時拋出ArrayStoreException異常。因為數(shù)組的這特點，在存儲數(shù)據(jù)的操作上，Java運行時需要檢查類型的兼容性。這種檢查，很顯然，會帶來一定的性能問題，你需要明白這一點。
重申一下，泛型使用起來更安全，能“糾正”Java數(shù)組中這種類型上的缺陷。
現(xiàn)在估計你會感到很奇怪，為什么在數(shù)組上會有這種類型和子類型的關(guān)系，我來給你一個《Java Generics and Collections》這本書上給出的答案：如果它們不相關(guān)，你就沒有辦法把一個未知類型的對象數(shù)組傳入一個方法里(不經(jīng)過每次都封裝成Object[])，就像下面的：
- void sort(Object[] o);
泛型出現(xiàn)后，數(shù)組的這個個性已經(jīng)不再有使用上的必要了(下面一部分我們會談到這個)，實際上是應該避免使用。
通配符
在本文的前面的部分里已經(jīng)說過了泛型類型的子類型的不相關(guān)性。但有些時候，我們希望能夠像使用普通類型那樣使用泛型類型：
◆ 向上造型一個泛型對象的引用
◆ 向下造型一個泛型對象的引用
向上造型一個泛型對象的引用
例如，假設我們有很多箱子，每個箱子里都裝有不同的水果，我們需要找到一種方法能夠通用的處理任何一箱水果。更通俗的說法，A是B的子類型，我們需要找到一種方法能夠?qū)<A>類型的實例賦給一個C<B>類型的聲明。
為了完成這種操作，我們需要使用帶有通配符的擴展聲明，就像下面的例子里那樣：
- List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>();
- List<? extends Fruit> fruits = apples;
“? extends”是泛型類型的子類型相關(guān)性成為現(xiàn)實：Apple是Fruit的子類型，List<Apple> 是 List<? extends Fruit> 的子類型。
向下造型一個泛型對象的引用
現(xiàn)在我來介紹另外一種通配符：? super。如果類型B是類型A的超類型(父類型)，那么C<B> 是 C<? super A> 的子類型：
- List<Fruit> fruits = new ArrayList<Fruit>();
- List<? super Apple> = fruits;
為什么使用通配符標記能行得通？
原理現(xiàn)在已經(jīng)很明白：我們?nèi)绾卫眠@種新的語法結(jié)構(gòu)？
? extends
讓我們重新看看這第二部分使用的一個例子，其中談到了Java數(shù)組的子類型相關(guān)性：
- Apple[] apples = new Apple[1];
- Fruit[] fruits = apples;
- fruits[0] = new Strawberry();
就像我們看到的，當你往一個聲明為Fruit數(shù)組的Apple對象數(shù)組里加入Strawberry對象后，代碼可以編譯，但在運行時拋出異常。
現(xiàn)在我們可以使用通配符把相關(guān)的代碼轉(zhuǎn)換成泛型：因為Apple是Fruit的一個子類，我們使用? extends 通配符，這樣就能將一個List<Apple>對象的定義賦到一個List<? extends Fruit>的聲明上：
- List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>();
- List<? extends Fruit> fruits = apples;
- fruits.add(new Strawberry());
這次，代碼就編譯不過去了！Java編譯器會阻止你往一個Fruit list里加入strawberry。在編譯時我們就能檢測到錯誤，在運行時就不需要進行檢查來確保往列表里加入不兼容的類型了。即使你往list里加入Fruit對象也不行：
- fruits.add(new Fruit());
你沒有辦法做到這些。事實上你不能夠往一個使用了? extends的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里寫入任何的值。
原因非常的簡單，你可以這樣想：這個? extends T 通配符告訴編譯器我們在處理一個類型T的子類型，但我們不知道這個子類型究竟是什么。因為沒法確定，為了保證類型安全，我們就不允許往里面加入任何這種類型的數(shù)據(jù)。另一方面，因為我們知道，不論它是什么類型，它總是類型T的子類型，當我們在讀取數(shù)據(jù)時，能確保得到的數(shù)據(jù)是一個T類型的實例：
- Fruit get = fruits.get(0);
? super
使用 ? super 通配符一般是什么情況？讓我們先看看這個：
- List<Fruit> fruits = new ArrayList<Fruit>();
- List<? super Apple> = fruits;
我們看到fruits指向的是一個裝有Apple的某種超類(supertype)的List。同樣的，我們不知道究竟是什么超類，但我們知道Apple和任何Apple的子類都跟它的類型兼容。既然這個未知的類型即是Apple，也是GreenApple的超類，我們就可以寫入：
- fruits.add(new Apple());
- fruits.add(new GreenApple());
如果我們想往里面加入Apple的超類，編譯器就會警告你：
- fruits.add(new Fruit());
- fruits.add(new Object());
因為我們不知道它是怎樣的超類，所有這樣的實例就不允許加入。
從這種形式的類型里獲取數(shù)據(jù)又是怎么樣的呢？結(jié)果表明，你只能取出Object實例：因為我們不知道超類究竟是什么，編譯器唯一能保證的只是它是個Object，因為Object是任何Java類型的超類。
存取原則和PECS法則
總結(jié) ? extends 和 the ? super 通配符的特征，我們可以得出以下結(jié)論：
◆ 如果你想從一個數(shù)據(jù)類型里獲取數(shù)據(jù)，使用 ? extends 通配符
◆ 如果你想把對象寫入一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里，使用 ? super 通配符
◆ 如果你既想存，又想取，那就別用通配符。
這就是Maurice Naftalin在他的《Java Generics and Collections》這本書中所說的存取原則，以及Joshua Bloch在他的《Effective Java》這本書中所說的PECS法則。
Bloch提醒說，這PECS是指”Producer Extends, Consumer Super”，這個更容易記憶和運用。
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