Java 基础 一文搞懂泛型

本文将从以下四个方面来系统的讲解一下泛型，基本上涵盖了泛型的主体内容。

1. 什么是泛型？
2. 为什么要使用泛型？
3. 如何使用泛型？
4. 泛型的特性

1. 什么是泛型？

泛型的英文是Generics，是指在定义方法、接口或类的时候，不预先指定具体的类型，而使用的时候再指定一个类型的一个特性。

写过Java代码的同学应该知道，我们在定义方法、接口或类的时候，都要指定一个具体的类型。比如：

public class test {
    private String name;

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

上面代码就定义了字段name的类型为String，方法getName的返回类型为String，这种写法就是预先指定了具体的类型。而泛型就是不预先指定具体的类型。

Java中有一个类型叫ArrayList，相当于一个可变长度的数组。在ArrayList类型中就没有预先指定具体的类型。因为数组可以存放任何类型的数据，如果要预先指定一个数组类型的话，那要满足大家对各种类型的需求，就要写很多类型的ArrayList，要为每个class写一个单独的ArrayList，比如：

• IntegerArrayList

• StringArrayList

• FloatArrayList

• LongArrayList

• ...

这显然不太现实，因为class有上千种，还有自己定义的class。那么在ArrayList中预先指定具体的类型就无法满足需求。这个时候就需要使用泛型，即不指定存储数据的具体的类型，这个类型由使用者决定。

为了解决类型的问题，我们必须把ArrayList变成一种模板：ArrayList<T>，代码如下：

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：

// 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>();

因此，泛型也可以说是定义一种模板，例如ArrayList<T>，然后在代码中为用到的类创建对应的ArrayList<类型>。（泛型是指在定义方法、接口或类的时候，不预先指定具体的类型，而使用的时候再指定一个类型的一个特性。）后面这种定义可能会更好理解其本质。

更为官方的定义是：泛型指“参数化类型”。泛型的本质是为了参数化类型（将类型参数化传递）（在不创建新的类型的情况下，通过泛型指定的不同类型来控制形参具体限制的类型）。也就是说在泛型使用过程中，操作的数据类型被指定为一个参数，这种参数类型，可以在类、接口和方法中，分别被称为泛型类，泛型接口，泛型方法。

2. 为什么要使用泛型？

参考自：Oracle 泛型文档

与非泛型的代码相比，使用泛型的代码具有很多优点：

1. 在编译时会有更强的类型检查

   Java编译器对泛型代码进行强类型检查，如果代码违反类型安全，则会发出错误。修复编译时的错误比修复运行时的错误会更加简单，运行时的错误会更难找到。

   说人话就是，使用泛型时，编译器会对输入的类型的进行检查，类型与声明的类型不一致时就会报错。而不使用泛型，编译器可能就检测不到这个类型错误，就会在运行的时候报错。

2. 消除类型转换

   下面的代码是没有使用泛型的情况，这时候需要对类型进行转换

   List list = new ArrayList();
   list.add("hello");
   String s = (String) list.get(0);
   

   使用泛型，就不需要对类型进行转换

   List<String> list = new ArrayList<String>();
   list.add("hello");
   String s = list.get(0);   // no cast
   

3. 可以实现更通用的算法

   通过使用泛型，程序员可以对不同类型的集合进行自定义操作以实现通用算法，并且代码类型会更加安全、代码更易读

3. 如何使用泛型？

还是以ArrayList为例，如果不定义泛型类型时，泛型类型此时就是Object：

// 编译器警告:
List list = new ArrayList();
list.add("Hello");
list.add("World");
String first = (String) list.get(0);
String second = (String) list.get(1);

此时，只能把<T>当作Object使用，没有发挥泛型的优势。

当我们定义泛型类型<String>后，List<T>的泛型接口变为强类型List<String>：

// 无编译器警告:
List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("Hello");
list.add("World");
// 无强制转型:
String first = list.get(0);
String second = list.get(1);

编译器看到泛型类型List<String>就可以自动推断出后面的ArrayList<T>的泛型类型必须是ArrayList<String>，因此，可以把代码简写为：

// 可以省略后面的Number，编译器可以自动推断泛型类型：
List<String> list = new ArrayList<>();

3.1 泛型类

泛型类的语法形式：

class name<T1, T2, ..., Tn> { /* ... */ }

泛型类的声明和非泛型类的声明类似，除了在类名后面添加了类型参数声明部分。由尖括号（<>）分隔的类型参数部分跟在类名后面。它指定类型参数（也称为类型变量）T1，T2，...和 Tn。

一般将泛型中的类名称为原型，而将 <> 指定的参数称为类型参数。

在泛型出现之前，一个类要想处理所有类型的数据，只能使用Object做数据转换。实例如下：

public class Info {
	private Object value;

	public Object getValue() {
		return value;
	}

	public void setValue(Object value) {
		this.value = value;
	}
}

使用泛型之后，其实就是将Object换成T，并声明<T>：

public class Info<T> {
	private T value;

    public T getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue(T value) {
        this.value = value;
    }
}

在上面的例子中，在初始化一个泛型类时，使用 <> 指定了内部具体类型，在编译时就会根据这个类型做强类型检查。

实际上，不使用 <> 指定内部具体类型，语法上也是支持的（不推荐这么做）,这样的调用就失去泛型类型的优势。如下所示：

public static void main(String[] args) {
    Info info = new Info();
    info.setValue(10);
    System.out.println(info.getValue());
    info.setValue("abc");
    System.out.println(info.getValue());
}

上面是单个类型参数的泛型类。

下面我们看一下多个类型参数的泛型类该如何编写。

例如，我们定义Pair不总是存储两个类型一样的对象，就可以使用类型<T, K>：

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() {
    	return first;
    }

    public K getLast() {
    	return last;
    }
}

使用的时候，需要指出两种类型：

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

Java标准库的Map<K, V>就是使用两种泛型类型的例子。它对Key使用一种类型，对Value使用另一种类型。

小结

编写泛型时，需要定义泛型类型<T>；

泛型可以同时定义多种类型，例如Map<K, V>。

3.2 泛型接口

接口也可以声明泛型。

泛型接口语法形式：

public interface Content<T> {
    T text();
}

泛型接口有两种实现方式：

• 实现接口的子类明确声明泛型类型

  预先声明继承的具体类型的接口类，下面就是继承的Integer类型的接口类。

  public class IntContent implements Content<Integer> {
      private int text;
  
      public IntContent(int text) {
          this.text = text;
      }
  
      @Override
      public Integer text() {
          return text;
      }
  }
  

  因为子类并没有泛型类型，所以正常使用就行。

  InContent ic = new IntContent(10);
  

• 实现接口的子类不明确声明泛型类型

  public class GenericsContent<T> implements Content<T> {
      private T text;
  
      public GenericsContent(T text) {
          this.text = text;
      }
  
      @Override
      public T text() {
          return text;
      }
  }
  

  此时子类也使用了泛型类型，就需要指定具体类型

  Content<String> gc = new GenericsContent<>("ABC");
  

3.3 泛型方法

泛型方法是引入其自己的类型参数的方法。泛型方法可以是普通方法、静态方法以及构造方法。

泛型方法语法形式如下：

public <T> T func(T obj) {}

注意：是否拥有泛型方法，与其所在的类是否是泛型没有关系。

泛型方法的语法包括一个类型参数列表，在尖括号内，它出现在方法的返回类型之前。对于静态泛型方法，类型参数部分必须出现在方法的返回类型之前。类型参数能被用来声明返回值类型，并且能作为泛型方法得到的实际类型参数的占位符。

使用泛型方法的时候，通常不必指明类型参数，因为编译器会为我们找出具体的类型。这称为类型参数推断（type argument inference）。类型推断只对赋值操作有效，其他时候并不起作用。如果将一个泛型方法调用的结果作为参数，传递给另一个方法，这时编译器并不会执行推断。

编译器会认为：调用泛型方法后，其返回值被赋给一个 Object 类型的变量。

public class GenericsMethodDemo01 {
    public static <T> void printClass(T obj) {
        System.out.println(obj.getClass().toString());
    }

    public static void main(String[] args) {
        printClass("abc");
        printClass(10);
    }
}
// Output:
// class java.lang.String
// class java.lang.Integer

泛型方法中也可以使用可变参数列表

public class GenericVarargsMethodDemo {
    public static <T> List<T> makeList(T... args) {
        List<T> result = new ArrayList<T>();
        Collections.addAll(result, args);
        return result;
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<String> ls = makeList("A");
        System.out.println(ls);
        ls = makeList("A", "B", "C");
        System.out.println(ls);
    }
}
// Output:
// [A]
// [A, B, C]

4. 泛型的特性

4.1 类型擦除（Type Erasure）

Java 语言引入泛型是为了在编译时提供更严格的类型检查，并支持泛型编程。不同于 C++ 的模板机制，Java 泛型是使用类型擦除来实现的，使用泛型时，任何具体的类型信息都被擦除了。

那么，类型擦除做了什么呢？它做了以下工作：

• 把泛型中的所有类型参数替换为 Object，如果指定类型边界，则使用类型边界来替换。因此，生成的字节码仅包含普通的类，接口和方法。
• 擦除出现的类型声明，即去掉 <> 的内容。比如 T get() 方法声明就变成了 Object get() ；List<String> 就变成了 List。如有必要，插入类型转换以保持类型安全。
• 生成桥接方法以保留扩展泛型类型中的多态性。类型擦除确保不为参数化类型创建新类；因此，泛型不会产生运行时开销。

Java 泛型的实现方式不太优雅，但这是因为泛型是在 JDK5 时引入的，为了兼容老代码，必须在设计上做一定的折中。

简单来说类型擦除是指，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<T>，这是编译器看到的代码：

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：

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使用类型擦拭实现泛型，导致了：

• 编译器把类型<T>视为Object；
• 编译器根据<T>实现安全的强制转型。

因此，Java使用擦拭法实现泛型，导致了：

• 编译器把类型<T>视为Object；
• 编译器根据<T>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：

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：

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。

泛型的局限

了解了Java泛型的实现方式——类型擦除，我们就知道了Java泛型的局限：

局限一：<T>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：

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：

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        List<Object> list1 = new ArrayList<Object>();
        List<String> list2 = new ArrayList<String>();
        System.out.println(list1.getClass());
        System.out.println(list2.getClass());
    }
}
// Output:
// class java.util.ArrayList
// class java.util.ArrayList

因为T是Object，我们对ArrayList<Object>和ArrayList<String>类型获取Class时，获取到的是同一个Class，也就是ArrayList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ArrayList<Object>。

局限三：无法判断带泛型的类型：

List<Integer> p = new ArrayList<>();
// Compile error:
if (p instanceof List<String>) {
}

原因和前面一样，并不存在List<String>.class，而是只有唯一的List.class。

泛型和继承

正是由于泛型时基于类型擦除实现的，所以，泛型类型无法向上转型。

向上转型是指用子类实例去初始化父类，这是面向对象中多态的重要表现。

Integer 继承了 Object；ArrayList 继承了 List；但是 List<Interger> 却并非继承了 List<Object>。

这是因为，泛型类并没有自己独有的 Class 类对象。比如：并不存在 List<Object>.class 或是 List<Interger>.class，Java 编译器会将二者都视为 List.class。

4.2 上边界

在使用泛型的时候，我们还可以为传入的泛型类型实参进行上下边界的限制，如：类型实参只准传入某种类型的父类或某种类型的子类。

extend通配符

为泛型添加上边界，即传入的类型实参必须是指定类型的子类型

// 可以限制传入方法的参数的类型
<? extends xxx>
// 也可以限制T的类型
<T extends XXX>
// 类型边界可以设置多个，语法形式如下：
<T extends B1 & B2 & B3>

注意：extends 关键字后面的第一个类型参数可以是类或接口，其他类型参数只能是接口。

<? extends xxx>

举个例子：

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        Pair<Integer> p = new Pair<>(123, 456);
        int n = add(p);
        System.out.println(n);
    }

    static int add(Pair<? extends Number> p) {
        Number first = p.getFirst();
        Number last = p.getLast();
        return first.intValue() + last.intValue();
    }
}

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;
    }
}

通过使用<? extends Number>，我们可以传入Number类型的子类类型的数组。就可以执行数值类型的加法。

这种使用<? extends Number>的泛型定义称之为上界通配符（Upper Bounds Wildcards），即把泛型类型T的上界限定在Number了。除了可以传入Pair<Integer>类型，我们还可以传入Pair<Double>类型，Pair<BigDecimal>类型等等，因为Double和BigDecimal都是Number的子类。

如果我们考察对Pair<? extends Number>类型调用getFirst()方法，实际的方法签名变成了：

<? extends Number> getFirst();

接下来，我们再来考察一下Pair<T>的set方法：

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        Pair<Integer> p = new Pair<>(123, 456);
        int n = add(p);
        System.out.println(n);
    }

    static int add(Pair<? extends Number> p) {
        Number first = p.getFirst();
        Number last = p.getLast();
        p.setFirst(new Integer(first.intValue() + 100));
        p.setLast(new Integer(last.intValue() + 100));
        return p.getFirst().intValue() + p.getFirst().intValue();
    }
}

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;
    }
    public void setFirst(T first) {
        this.first = first;
    }
    public void setLast(T last) {
        this.last = last;
    }
}

// 会得到一个编译错误
// The method setFirst(capture#3-of ? extends Number) in the type Pair<capture#3-of ? extends Number> is not applicable for the arguments (int)Java(67108979)

编译错误的原因在于，如果一开始我们传入的p是Pair<Double>，显然它满足参数定义Pair<? extends Number>，然而，Pair<Double>的setFirst()显然无法接受Integer类型。

这就是<? extends Number>通配符的一个重要限制：方法参数签名setFirst(? extends Number)无法传递任何Number的子类型给setFirst(? extends Number)。

这里唯一的例外是可以给方法参数传入null：

p.setFirst(null); // ok, 但是后面会抛出NullPointerException
p.getFirst().intValue(); // NullPointerException

使用extends限定T类型

在定义泛型类型Pair<T>的时候，也可以使用extends通配符来限定T的类型：

public class Pair<T extends Number> { ... }

现在，我们只能定义：

Pair<Number> p1 = null;
Pair<Integer> p2 = new Pair<>(1, 2);
Pair<Double> p3 = null;

因为Number、Integer和Double都符合<T extends Number>。

非Number类型将无法通过编译：

Pair<String> p1 = null; // compile error!
Pair<Object> p2 = null; // compile error!

因为String、Object都不符合<T extends Number>，因为它们不是Number类型或Number的子类。

小结

使用类似<? extends Number>通配符作为方法参数时表示：

• 方法内部可以调用获取Number引用的方法，例如：Number n = obj.getFirst();；
• 方法内部无法调用传入Number引用的方法（null除外），例如：obj.setFirst(Number n);。

即一句话总结：使用extends通配符表示可以读，不能写。

使用类似<T extends Number>定义泛型类时表示：

• 泛型类型限定为Number以及Number的子类。

4.3 下边界

super 下界通配符将未知类型限制为该类型的特定类型或超类类型。

和extends通配符相反，这次，我们希望接受Pair<Integer>类型，以及Pair<Number>、Pair<Object>，因为Number和Object是Integer的父类，setFirst(Number)和setFirst(Object)实际上允许接受Integer类型。

我们使用super通配符来改写这个方法：

void set(Pair<? super Integer> p, Integer first, Integer last) {
    p.setFirst(first);
    p.setLast(last);
}

注意到Pair<? super Integer>表示，方法参数接受所有泛型类型为Integer或Integer父类的Pair类型。

这里注意到我们无法使用Integer类型来接收getFirst()的返回值，即下面的语句将无法通过编译：

Integer x = p.getFirst();

因为如果传入的实际类型是Pair<Number>，编译器无法将Number类型转型为Integer。

因此，使用<? super Integer>通配符表示：

• 允许调用set(? super Integer)方法传入Integer的引用；
• 不允许调用get()方法获得Integer的引用。

唯一例外是可以获取Object的引用：Object o = p.getFirst()。

换句话说，使用<? super Integer>通配符作为方法参数，表示方法内部代码对于参数只能写，不能读。

对比extends和super通配符

我们再回顾一下extends通配符。作为方法参数，<? extends T>类型和<? super T>类型的区别在于：

• <? extends T>允许调用读方法T get()获取T的引用，但不允许调用写方法set(T)传入T的引用（传入null除外）；
• <? super T>允许调用写方法set(T)传入T的引用，但不允许调用读方法T get()获取T的引用（获取Object除外）。

一个是允许读不允许写，另一个是允许写不允许读。

4.4 无限定通配符

我们已经讨论了<? extends T>和<? super T>作为方法参数的作用。实际上，Java的泛型还允许使用无限定通配符（Unbounded Wildcard Type），即只定义一个?：

void sample(Pair<?> p) {
}

因为<?>通配符既没有extends，也没有super，因此：

• 不允许调用set(T)方法并传入引用（null除外）；
• 不允许调用T get()方法并获取T引用（只能获取Object引用）。

无界通配符有两种应用场景：

• 可以使用 Object 类中提供的功能来实现的方法。
• 使用不依赖于类型参数的泛型类中的方法。

语法形式：<?>

public class GenericsUnboundedWildcardDemo {
    public static void printList(List<?> list) {
        for (Object elem : list) {
            System.out.print(elem + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> li = Arrays.asList(1, 2, 3);
        List<String> ls = Arrays.asList("one", "two", "three");
        printList(li);
        printList(ls);
    }
}
// Output:
// 1 2 3
// one two three

小结

使用类似<? super Integer>通配符作为方法参数时表示：

• 方法内部可以调用传入Integer引用的方法，例如：obj.setFirst(Integer n);；
• 方法内部无法调用获取Integer引用的方法（Object除外），例如：Integer n = obj.getFirst();。

即使用super通配符表示只能写不能读。

无限定通配符<?>很少使用，可以用<T>替换，同时它是所有<T>类型的超类。

4.5 泛型命名

泛型一些约定俗成的命名（实际并无意义，但是建议对应着来命名泛型）：

• E - Element
• K - Key
• N - Number
• T - Type
• V - Value
• S,U,V etc. - 2nd, 3rd, 4th types

5. end

理解泛型之后可以方便我们更好的阅读Java框架的源码，实际编程来说不一定会用到，但是可以用到泛型编程的地方，建议使用，可以简化代码。

6. 参考资料

1. 廖雪峰Java
2. 深入理解Java泛型
3. Oracle Java文档