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java 泛型 Generics

简述

泛型就是定义一种模板，例如ArrayList，然后在代码中为用到的类创建对应的ArrayList<类型>：

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public class ArrayList<T> {
    private T[] array;
    private int size;
    public void add(T e) {...}
    public void remove(int index) {...}
    public T get(int index) {...}
}

T可以是任何class。这样一来，我们就实现了：编写一次模版，可以创建任意类型的ArrayList：

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// 创建可以存储String的ArrayList:
ArrayList<String> strList = new ArrayList<String>();
// 创建可以存储Float的ArrayList:
ArrayList<Float> floatList = new ArrayList<Float>();
// 创建可以存储Person的ArrayList:
ArrayList<Person> personList = new ArrayList<Person>();

由编译器针对类型作检查：

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strList.add("hello"); // OK
String s = strList.get(0); // OK
strList.add(new Integer(123)); // compile error!
Integer n = strList.get(0); // compile error!

这样一来，既实现了编写一次，万能匹配，又通过编译器保证了类型安全：这就是泛型。

泛型接口

除了ArrayList使用了泛型，还可以在接口中使用泛型。例如，Arrays.sort(Object[])可以对任意数组进行排序，但待排序的元素必须实现Comparable这个泛型接口：

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public interface Comparable<T> {
    /**
     * 返回负数: 当前实例比参数o小
     * 返回0: 当前实例与参数o相等
     * 返回正数: 当前实例比参数o大
     */
    int compareTo(T o);
}

编写泛型

可以按照以下步骤来编写一个泛型类。

首先，按照某种类型，例如：String，来编写类：

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public class Pair {
    private String first;
    private String last;
    public Pair(String first, String last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public String getFirst() {
        return first;
    }
    public String getLast() {
        return last;
    }
}

然后，标记所有的特定类型，这里是String：

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public class Pair {
    private String first;
    private String last;
    public Pair(String first, String last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public String getFirst() {
        return first;
    }
    public String getLast() {
        return last;
    }
}

最后，把特定类型String替换为T，并申明：

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public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() {
        return first;
    }
    public T getLast() {
        return last;
    }
}

熟练后即可直接从T开始编写。

静态方法

编写泛型类时，要特别注意，泛型类型不能用于静态方法。例如：

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public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() { ... }
    public T getLast() { ... }

    // 对静态方法使用<T>:
    public static Pair<T> create(T first, T last) {
        return new Pair<T>(first, last);
    }
}

上述代码会导致编译错误，我们无法在静态方法create()的方法参数和返回类型上使用泛型类型T。
有些同学在网上搜索发现，可以在static修饰符后面加一个，编译就能通过：

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public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() { ... }
    public T getLast() { ... }

    // 可以编译通过:
    public static <T> Pair<T> create(T first, T last) {
        return new Pair<T>(first, last);
    }
}

但实际上，这个和Pair类型的已经没有任何关系了。

对于静态方法，我们可以单独改写为“泛型”方法，只需要使用另一个类型即可。对于上面的create()静态方法，我们应该把它改为另一种泛型类型，例如，：

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public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() { ... }
    public T getLast() { ... }

    // 静态泛型方法应该使用其他类型区分:
    public static <K> Pair<K> create(K first, K last) {
        return new Pair<K>(first, last);
    }
}

这样才能清楚地将静态方法的泛型类型和实例类型的泛型类型区分开。

多个泛型类型

泛型还可以定义多种类型。例如，我们希望Pair不总是存储两个类型一样的对象，就可以使用类型<T, K>：

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public class Pair<T, K> {
    private T first;
    private K last;
    public Pair(T first, K last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() { ... }
    public K getLast() { ... }
}

Pair<String, Integer> p = new Pair<>("test", 123);

擦拭法

泛型是一种类似”模板代码“的技术，不同语言的泛型实现方式不一定相同。

Java语言的泛型实现方式是擦拭法（Type Erasure）。

所谓擦拭法是指，虚拟机对泛型其实一无所知，所有的工作都是编译器做的。

例如，我们编写了一个泛型类Pair，这是编译器看到的代码：

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public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() {
        return first;
    }
    public T getLast() {
        return last;
    }
}

而虚拟机根本不知道泛型。这是虚拟机执行的代码：

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public class Pair {
    private Object first;
    private Object last;
    public Pair(Object first, Object last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public Object getFirst() {
        return first;
    }
    public Object getLast() {
        return last;
    }
}

因此，Java使用擦拭法实现泛型，导致了：

  • 编译器把类型视为Object；
  • 编译器根据实现安全的强制转型。
    使用泛型的时候，我们编写的代码也是编译器看到的代码：
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    Pair<String> p = new Pair<>("Hello", "world");
    String first = p.getFirst();
    String last = p.getLast();
    而虚拟机执行的代码并没有泛型：
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    Pair p = new Pair("Hello", "world");
    String first = (String) p.getFirst();
    String last = (String) p.getLast();
    所以，Java的泛型是由编译器在编译时实行的，编译器内部永远把所有类型T视为Object处理，
    但是，在需要转型的时候，编译器会根据T的类型自动为我们实行安全地强制转型。

了解了Java泛型的实现方式——擦拭法，我们就知道了Java泛型的局限

局限一：不能是基本类型，例如int，因为实际类型是Object，Object类型无法持有基本类型：

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Pair<int> p = new Pair<>(1, 2); // compile error!

局限二：无法取得带泛型的Class。观察以下代码：

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public class Main {
    public static void main(String[] args) {
		Pair<String> p1 = new Pair<>("Hello", "world");
		Pair<Integer> p2 = new Pair<>(123, 456);
		Class c1 = p1.getClass();
		Class c2 = p2.getClass();
		System.out.println(c1==c2); // true
		System.out.println(c1==Pair.class); // true
	}
}

class Pair<T> {
	private T first;
	private T last;
	public Pair(T first, T last) {
		this.first = first;
		this.last = last;
	}
	public T getFirst() {
		return first;
	}
	public T getLast() {
		return last;
	}
}

因为T是Object，我们对Pair和Pair类型获取Class时，获取到的是同一个Class，也就是Pair类的Class。

换句话说，所有泛型实例，无论T的类型是什么，getClass()返回同一个Class实例，因为编译后它们全部都是Pair。

局限三：无法判断带泛型的类型：

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Pair<Integer> p = new Pair<>(123, 456);
// Compile error:
if (p instanceof Pair<String>) {
}

原因和前面一样，并不存在Pair.class，而是只有唯一的Pair.class。

局限四：不能实例化T类型：

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public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair() {
        // Compile error:
        first = new T();
        last = new T();
    }
}

上述代码无法通过编译，因为构造方法的两行语句

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first = new T();
last = new T();

擦拭后实际上变成了：

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first = new Object();
last = new Object();

这样一来，创建new Pair()和创建new Pair()就全部成了Object，显然编译器要阻止这种类型不对的代码。

要实例化T类型，我们必须借助额外的Class参数：

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public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(Class<T> clazz) {
        first = clazz.newInstance();
        last = clazz.newInstance();
    }
}

上述代码借助Class参数并通过反射来实例化T类型，使用的时候，也必须传入Class。例如：

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Pair<String> pair = new Pair<>(String.class);

因为传入了Class的实例，所以我们借助String.class就可以实例化String类型。

不恰当的覆写方法

有些时候，一个看似正确定义的方法会无法通过编译。例如：

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public class Pair<T> {
    public boolean equals(T t) {
        return this == t;
    }
}

这是因为，定义的equals(T t)方法实际上会被擦拭成equals(Object t)，而这个方法是继承自Object的，编译器会阻止一个实际上会变成覆写的泛型方法定义。

换个方法名，避开与Object.equals(Object)的冲突就可以成功编译：

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public class Pair<T> {
    public boolean same(T t) {
        return this == t;
    }
}

泛型继承

一个类可以继承自一个泛型类。例如：父类的类型是Pair，子类的类型是IntPair，可以这么继承：

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public class IntPair extends Pair<Integer> {
}

使用的时候，因为子类IntPair并没有泛型类型，所以，正常使用即可：

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IntPair ip = new IntPair(1, 2);

前面讲了，我们无法获取Pair的T类型，即给定一个变量Pair p，无法从p中获取到Integer类型。

但是，在父类是泛型类型的情况下，编译器就必须把类型T（对IntPair来说，也就是Integer类型）保存到子类的class文件中，不然编译器就不知道IntPair只能存取Integer这种类型。

在继承了泛型类型的情况下，子类可以获取父类的泛型类型。例如：IntPair可以获取到父类的泛型类型Integer。获取父类的泛型类型代码比较复杂：

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import java.lang.reflect.ParameterizedType;
import java.lang.reflect.Type;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Class<IntPair> clazz = IntPair.class;
        Type t = clazz.getGenericSuperclass();
        if (t instanceof ParameterizedType) {
            ParameterizedType pt = (ParameterizedType) t;
            Type[] types = pt.getActualTypeArguments(); // 可能有多个泛型类型
            Type firstType = types[0]; // 取第一个泛型类型
            Class<?> typeClass = (Class<?>) firstType;
            System.out.println(typeClass); // Integer
        }

    }
}

class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() {
        return first;
    }
    public T getLast() {
        return last;
    }
}

class IntPair extends Pair<Integer> {
    public IntPair(Integer first, Integer last) {
        super(first, last);
    }
}

因为Java引入了泛型，所以，只用Class来标识类型已经不够了。实际上，Java的类型系统结构如下：

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                      │Type│
                      └────┘
                         ▲
                         │
   ┌────────────┬────────┴─────────┬───────────────┐
   │            │                  │               │
┌─────┐┌─────────────────┐┌────────────────┐┌────────────┐
│Class││ParameterizedType││GenericArrayType││WildcardType│
└─────┘└─────────────────┘└────────────────┘└────────────┘

小结

Java的泛型是采用擦拭法实现的；

擦拭法决定了泛型：

  • 不能是基本类型，例如：int；
  • 不能获取带泛型类型的Class，例如：Pair.class；
  • 不能判断带泛型类型的类型，例如：x instanceof Pair；
  • 不能实例化T类型，例如：new T()。

泛型方法要防止重复定义方法，例如：public boolean equals(T obj)；
子类可以获取父类的泛型类型。

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