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 1. 引言

jdk5.0中引入了Java泛型，目的是減少錯(cuò)誤，并在類型上添加額外的抽象層。本文將簡要介紹Java中的泛型、泛型背后的目標(biāo)以及如何使用泛型來提高代碼的質(zhì)量。

2. 為什么要用泛型?

設(shè)想一個(gè)場景，我們希望用Java創(chuàng)建一個(gè)列表來存儲(chǔ)Integer;代碼可能會(huì)寫成這樣：

List list = new LinkedList(); 
list.add(new Integer(1));  
Integer i = list.iterator().next(); 

令人驚訝的是，編譯器會(huì)提示最后一行。它不知道返回的數(shù)據(jù)類型是什么。因此，編譯器提示需要進(jìn)行顯式轉(zhuǎn)換：

Integer i = (Integer) list.iterator.next(); 

沒有任何約定可以保證列表的返回類型是整數(shù)。定義的列表可以包含任何對(duì)象。我們只知道我們是通過檢查上下文來檢索列表的。在查看類型時(shí)，它只能保證它是一個(gè)Object，因此需要顯式轉(zhuǎn)換來確保類型是安全的。

這種轉(zhuǎn)換可能會(huì)令人感到聒噪，我們明明知道這個(gè)列表中的數(shù)據(jù)類型是整數(shù)。轉(zhuǎn)換的話，也把我們的代碼搞得亂七八糟。如果程序員在顯式轉(zhuǎn)換中出錯(cuò)，則可能會(huì)導(dǎo)致拋出與 類型相關(guān)的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤 。

如果程序員能夠表達(dá)他們使用特定類型的意圖，并且編譯器能夠確保這種類型的正確性，那么這將更加容易。

這就是泛型背后的核心思想。

我們將前面代碼段的第一行修改為：

List<Integer> list = new LinkedList<>(); 

通過添加包含類型的菱形運(yùn)算符<>，我們將此列表的特化范圍縮小到 Integer 類型，即指定將保存在列表中的類型。編譯器可以在編譯時(shí)強(qiáng)制執(zhí)行該類型。

在較小的程序中，這看起來像是一個(gè)微不足道的添加。但是在較大的程序中，這可以增加顯著的健壯性并使程序更易于閱讀。

3. 泛型方法

泛型方法是用單個(gè)方法聲明編寫的方法，可以用不同類型的參數(shù)調(diào)用。編譯器將確保所用類型的正確性。以下是泛型方法的一些屬性：

• 泛型方法在方法聲明的返回類型之前有一個(gè)類型參數(shù)(包裹類型的菱形運(yùn)算符)
• 類型參數(shù)可以有界(邊界將在本文后面解釋)
• 泛型方法可以具有不同的類型參數(shù)，這些參數(shù)在方法簽名中用逗號(hào)分隔
• 泛型方法的方法體與普通方法一樣

定義將數(shù)組轉(zhuǎn)換為列表的泛型方法的示例：

public <T> List<T> fromArrayToList(T[] a) {    
    return Arrays.stream(a).collect(Collectors.toList()); 
} 

在前面的示例中，方法聲明中的表示該方法將處理泛型類型 T。即使方法返回的是void，也需要這樣做。如上所述，方法可以處理多個(gè)泛型類型，在這種情況下，所有泛型類型都必須添加到方法聲明中，例如，如果我們要修改上面的方法來處理類型 T 和類型 G ，應(yīng)該這樣寫：

public static <T, G> List<G> fromArrayToList(T[] a, Function<T, G> mapperFunction) { 
    return Arrays.stream(a) 
      .map(mapperFunction) 
      .collect(Collectors.toList()); 
} 

我們正在傳遞一個(gè)函數(shù)，該函數(shù)將具有T類型元素的數(shù)組轉(zhuǎn)換為包含G類型元素的列表。例如，將 Integer 轉(zhuǎn)換為其 String 表示形式：

@Test 
public void givenArrayOfIntegers_thanListOfStringReturnedOK() { 
    Integer[] intArray = {1, 2, 3, 4, 5}; 
    List<String> stringList 
      = Generics.fromArrayToList(intArray, Object::toString); 
  
    assertThat(stringList, hasItems("1", "2", "3", "4", "5")); 
} 

Oracle建議使用大寫字母表示泛型類型，并選擇更具描述性的字母來表示形式類型，例如在Java集合中，T 用于類型，K 表示鍵，V 表示值。

3.1.泛型邊界

如前所述，類型參數(shù)可以是有界的。有界意味著“限制”，我們可以限制方法可以接受的類型。

例如，可以指定一個(gè)方法接受一個(gè)類型及其所有子類(上限)或一個(gè)類型所有它的超類(下限)。

要聲明上界類型，我們?cè)陬愋秃竺媸褂藐P(guān)鍵字extends，后跟要使用的上限。例如：

public <T extends Number> List<T> fromArrayToList(T[] a) { 
    ... 
} 

這里使用關(guān)鍵字extends表示類型 T 擴(kuò)展類的上限，或者實(shí)現(xiàn)接口的上限。

3.2. 多個(gè)邊界

類型還可以有多個(gè)上界，如下所示：

如果 T 擴(kuò)展的類型之一是類(即Number)，則必須將其放在邊界列表的第一位。否則，將導(dǎo)致編譯時(shí)錯(cuò)誤。

4. 使用通配符

通配符在Java中用問號(hào)“?“ 表示，它們是用來指一種未知的類型。通配符在使用泛型時(shí)特別有用，可以用作參數(shù)類型，但首先要考慮的是一個(gè)重要的注釋。

眾所周知，Object是所有Java類的超類型，但是，Object的集合不是任何集合的超類型。(可能有點(diǎn)繞，大家好好細(xì)品一下)

例如，List 不是 List的超類型，將List類型的變量賦值給List類型的變量將導(dǎo)致編譯器錯(cuò)誤。

這是為了防止在將異構(gòu)類型添加到同一集合時(shí)可能發(fā)生的沖突。

相同的規(guī)則適用于類型及其子類型的任何集合?？纯催@個(gè)例子：

public static void paintAllBuildings(List<Building> buildings) { 
    buildings.forEach(Building::paint); 
} 

如果我們?cè)O(shè)想一個(gè)子類型Building，實(shí)例House，那么我們不能將此方法與House列表一起使用，即使House是Building的子類型。如果需要將此方法與類型構(gòu)建及其所有子類型一起使用，則有界通配符可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

public static void paintAllBuildings(List<? extends Building> buildings) { 
    ... 
} 

現(xiàn)在，這個(gè)方法可以處理Building類型及其所有子類型。這稱為上界通配符，其中類型Building是上界。

通配符也可以使用下限指定，其中未知類型必須是指定類型的超類型?？梢允褂胹uper關(guān)鍵字后跟特定類型來指定下限，例如，表示未知類型，它是 T(=T及其所有父類)的超類。

5. 類型擦除

泛型被添加到Java中以確保類型安全，并確保泛型不會(huì)在運(yùn)行時(shí)造成開銷，編譯器在編譯時(shí)對(duì)泛型應(yīng)用一個(gè)名為type erasure的進(jìn)程。

類型擦除刪除所有類型參數(shù)，并將其替換為它們的邊界，如果類型參數(shù)是無界的，則替換為Object。因此，編譯后的字節(jié)碼只包含普通的類、接口和方法，從而確保不會(huì)生成新的類型。在編譯時(shí)對(duì)Object類型也應(yīng)用了正確的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換。以下是類型擦除的一個(gè)示例：

public <T> List<T> genericMethod(List<T> list) { 
    return list.stream().collect(Collectors.toList()); 
} 

使用類型擦除，無界類型T將替換為Object，如下所示：

// for illustration 
public List<Object> withErasure(List<Object> list) { 
    return list.stream().collect(Collectors.toList()); 
} 
  
// which in practice results in 
public List withErasure(List list) { 
    return list.stream().collect(Collectors.toList()); 
} 

如果類型是有界的，則在編譯時(shí)該類型將替換為綁定：

public <T extends Building> void genericMethod(T t) { 
    ... 
} 

編譯后會(huì)發(fā)生變化：

public void genericMethod(Building t) { 
    ... 
} 

6. 泛型和原始數(shù)據(jù)類型

Java中泛型的一個(gè)限制是類型參數(shù)不能是基本類型

例如，以下內(nèi)容無法編譯：

List<int> list = new ArrayList<>(); 
list.add(17); 

為了理解原始數(shù)據(jù)類型為什么不起作用，只需記住 泛型是編譯時(shí)特性，這意味著類型將會(huì)被擦除，所有泛型類型都實(shí)現(xiàn)為 Object 類。舉一個(gè)例子，讓我們看看列表的 add 方法：

List<Integer> list = new ArrayList<>(); 
list.add(17); 

add 方法的聲明如下：

boolean add(E e); 

并將被編譯為：

boolean add(Object e); 

因此，類型參數(shù)必須可轉(zhuǎn)換為Object。由于基本類型不繼承自 Object，所以不能將它們用作類型參數(shù) 但是，Java為它們提供了裝箱類型，以及自動(dòng)裝箱和自動(dòng)拆箱：

Integer a = 17; 
int b = a; 

因此，如果我們想創(chuàng)建一個(gè)可以保存整數(shù)的列表，我們可以使用包裝器：

List<Integer> list = new ArrayList<>(); 
list.add(17); 
int first = list.get(0); 

編譯后的代碼相當(dāng)于：

List list = new ArrayList<>(); 
list.add(Integer.valueOf(17)); 
int first = ((Integer) list.get(0)).intValue(); 

Java的未來版本可能允許泛型使用原始數(shù)據(jù)類型。Valhalla 工程旨在改進(jìn)處理泛型的方式。其思想是實(shí)現(xiàn)JEP 218中描述的泛型專門化.

7. 總結(jié)

Java泛型是對(duì)Java語言的一個(gè)強(qiáng)大的補(bǔ)充，因?yàn)樗钩绦騿T的工作更容易，也更不容易出錯(cuò)。泛型在編譯時(shí)強(qiáng)制執(zhí)行類型正確性，并且，最重要的是，能夠?qū)崿F(xiàn)泛型算法，而不會(huì)給我們的應(yīng)用程序帶來任何額外的開銷。

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