详解Java中的泛型（泛型的语法，擦除机制，泛型的上界）

news2024/11/27 19:43:59

一.什么是泛型

二.Java中为什么要使用泛型

三.泛型的语法

四.泛型类的使用

五.泛型的编译机制（擦除机制）

六.泛型的上界

一.什么是泛型

泛型（Generics）是Java SE 5中引入的一个新特性，可以使Java中的类和方法具有更广泛的类型范围。通俗的说，它使得我们可以在定义类和方法时指定一个或多个类型参数，从而可以在不考虑具体类型的情况下，代码中直接使用这些类型参数。泛型可以增强代码的安全性、可读性和可重用性。例如，可以使用泛型实现容器类（如ArrayList、HashMap）等。在使用泛型时，需要在编写代码时指定泛型类型，这样可以在编译期间检查代码的类型安全性。

二.Java中为什么要使用泛型

一般的类和方法，只能使用具体的类型:：要么是基本类型，要么是自定义的类。如果要编写可以应用于多种类型的代码，这种刻板的限制对代码的束缚就会很大。

----- 来源《Java编程思想》对泛型的介绍

Java中的泛型是一种允许在编写代码时指定类型参数的能力。使用泛型可以使代码更加通用且类型安全。通过使用泛型，程序员可以编写一个方法或类，该方法或类在实例化时可以接受不同类型的参数。泛型是将数据类型参数化，进行传递这样可以减少代码的重复，并提高代码的可读性和可维护性。

假如我们要实现一个数组，使得其中能够存放任意数据类型的元素，想存放整形，又想存放字符型，又想存放引用型该怎么办呢？我们可以联想一下之前认识过的Object类，Object类是所有类的父类，那我们将数组置为Object类可以吗？

class MyArray {
    public Object[] array = new Object[10];
    public Object getPos(int pos) {
        return this.array[pos];
    }
    public void setVal(int pos,Object val) {
        this.array[pos] = val;
    }
}

    public static void main(String[] args) {
        MyArray myArray = new MyArray();
        myArray.setVal(0, 10);//整形可以存放
        myArray.setVal(1, "hello");//字符串也可以存放
        String ret = myArray.getPos(1);//编译报错，原因是因为我们数组的类型是Object类型
        //但是我们这里接收的元素却是String类型
        //也就是说我们相当于进行了向下转型，所以这里会报错
        //如果我们进行强制转化就可以解决这个问题
        //String ret = (String) myArray.getPos(1);
        System.out.println(ret);
    }

我们会发现在这种情况下，整体的语法其实是不灵活的，虽然当前数组任何数据都可以存放，但是更多情况下，我们还是希望他只能够持有一种数据类型，而不是同时持有这么多类型。

所以泛型的主要目的就是指定当前的容器，要持有什么类型的对象，让编译器去做检查。此时就需要把类型作为参数传递，需要什么类型，就传入什么类型。

三.泛型的语法

在充分认识了泛型的必要性和作用后，我们来看看如何使用它：在Java中，泛型的使用方式是通过在类名或方法名后面加上尖括号，然后在尖括号里指定类型参数。具体语法如下：

class 泛型类名称<类型形参列表> {
    // 这里可以使用类型参数
}
class ClassName<T1, T2, ..., Tn> {
}

class 泛型类名称<类型形参列表> extends 继承类/* 这里可以使用类型参数 */ {
    // 这里可以使用类型参数
}
class ClassName<T1, T2, ..., Tn> extends ParentClass<T1> {
    // 可以只使用部分类型参数
}

可以通过泛型实例化一个泛型对象

泛型类<类型实参> 变量名; // 定义一个泛型类引用
new 泛型类<类型实参>(构造方法实参); // 实例化一个泛型类对象

MyArray<Integer> list = new MyArray<Integer>();

当编译器可以根据上下文推导出类型实参时，可以省略类型实参的填写

MyArray<Integer> list = new MyArray<>(); // 可以推导出实例化需要的类型实参为 Integer

泛型只能接受类，所有的基本数据类型必须使用包装类

四.泛型类的使用

对于我们刚才的数组，我们就可以如下设置为一个泛型数组

class MyArray<T> {
    public T[] array = (T[])new Object[10];//1
    //public T[] array;
    public T getPos(int pos) {
        return this.array[pos];
    }
    public void setVal(int pos,T val) {
        this.array[pos] = val;
    }
}

    public static void main(String[] args) {
        MyArray<Integer> myArray1 = new MyArray<>();//2
        myArray1.setVal(0,10);
        myArray1.setVal(1,12);
        
        MyArray<String> myArray2 = new MyArray<>();//3
        myArray2.setVal(0,"hello");
        myArray2.setVal(1,"world");
        
        MyArray<Float> myArray3 = new MyArray<>();//4
        myArray3.setVal(0,1.23f);
        myArray3.setVal(1,3.14f);
    }

在上述代码块中

类名后的 <T> 代表占位符，表示当前类是一个泛型类，常用的其他名称有：

E 表示 Element
K 表示 Key
V 表示 Value
N 表示 Number
T 表示 Type
S, U, V 等等... ...

注释1处，不能new泛型类型的数组，也就是说下面这样的代码是错误的

T[] arrary = new T[5];//是不对的

注释2处，类型后加入 <Integer> 指定当前类型，注释3，4处同理

五.泛型的编译机制（擦除机制）

Java的类型擦除机制是指在编译期间将泛型的类型参数替换为其边界或Object类型，从而实现泛型代码运行时无需知晓实际类型参数，也就是说泛型的类型参数在运行时是被擦除了的。这个机制是为了兼容Java语言的旧版本，同时也可以减少代码重复，使得代码更加简洁。

举个例子来说，：

假如有一个泛型类List<T>，其中的T可以指定任何类型，但是在运行时，List<T>的实际类型是List<Object>。那么，当我们在使用List<T>时，编译器会自动擦除类型参数T，然后将List<T>替换为List<Object>，这样就可以在运行时使用Object类型来处理元素。

在编译期间，泛型类型参数String被擦除了，List<String>被替换成了List<Object>，而在运行时，get方法返回的是Object类型，需要强制转换为String类型，也就是说，我们无法在运行时获取到类型参数的具体值，因为编译器已经将其擦除了。

泛型到底是如何进行编译的？这曾经作为面试题进行考察过，泛型的语法实际上是非常复杂不容易理解的，我们需要借助他的字节码文件去观察，使用命令：javap -c 查看字节码文件

也就是说在编译的过程当中，将所有的T替换为Object这种机制，我们称为：擦除机制

这个类型擦除机制也给开发带来了一些限制和挑战，比如不能在运行时获取泛型参数的具体类型，泛型数组的创建受到限制等。但是通过一些技巧和设计模式，我们可以在一定程度上绕过这些限制，让代码更加灵活和可扩展。

六.泛型的上界

在定义泛型类时，有时需要对传入的类型变量做一定的约束，可以通过类型边界来约束，语法：

class 泛型类名称<类型形参 extends 类型边界> {
    //... ...
}

例如：

public class MyClass<T extends MyClass2> {
    // ...
}

上述代码中，泛型类型T的上界是MyClass2，这意味着在使用MyClass时，只能传入MyClass2或其子类作为T的实际类型参数。这样做可以确保在类型安全的前提下，使用泛型类型时具有更大的灵活性和可扩展性。

假设我们有一个泛型类Box<T>，我们希望确保这个类型参数T必须是实现了Comparable接口的类。我们可以使用泛型的上界<T extends Comparable<T>>来实现这个目标，示例代码如下：

public class Box<T extends Comparable<T>> {
    private T value;

    public Box(T value) {
        this.value = value;
    }

    public T getValue() {
        return value;
    }

    public boolean isGreaterThan(Box<T> otherBox) {
        return value.compareTo(otherBox.getValue()) > 0;
    }
}

在这个示例中，我们使用<T extends Comparable<T>>来定义类型参数上界，确保T必须是实现了Comparable接口的类。这样，我们就可以在isGreaterThan()方法中使用value.compareTo()方法来比较value字段和另一个Box对象的值了。