Java数据结构之包装类简单认识泛类

1. 什么是包装类？

1.1 装箱和拆箱

1.2 自动装箱和自动拆箱

2. 什么是泛型

3. 引出泛型

3.1 语法

4 泛型类的使用

4.1 语法

4.2 示例

4.3 类型推导(Type Inference)

5. 裸类型(Raw Type) （了解）

5.1 说明

6 泛型如何编译的

6.1 擦除机制

6.2 为什么不能实例化泛型类型数组

7 泛型的上界

7.1 语法

7.2 示例

7.3 复杂示例

8 泛型方法

8.1 定义语法

8.2 示例

8.3 使用示例-可以类型推导

8.4 使用示例-不使用类型推导

1. 什么是包装类？

包装类是指Java中使用的一系列类，用于将基本数据类型装箱成对象。这些类有以下八种：

1. Byte：封装了 byte 基本数据类型的类
2. Short：封装了 short 基本数据类型的类
3. Integer：封装了 int 基本数据类型的类
4. Long：封装了 long 基本数据类型的类
5. Float：封装了 float 基本数据类型的类
6. Double：封装了 double 基本数据类型的类

7. Character:封装了 char 基本数据类型的类

8. boolean: 封装了 boolean 基本数据类型的类

这些类提供了各种功能，例如将基本数据类型转换为对象、对对象进行比较等。在Java中，由于基本类型不是继承自Object，为了在泛型代码中可以支持基本类型，Java给每个基本类型都对应了一个包装类型

注意：除了 Integer 和 Character，其余基本类型的包装类都是首字母大写

1.1 装箱和拆箱

装箱(装包)：把一个基本数据类型转变为包装类型。

拆箱(拆包)：把一个包装类型转变为基本数据类型。

int i = 10;

// 装箱操作，新建一个 Integer 类型对象，将 i 的值放入对象的某个属性中
Integer ii = Integer.valueOf(i);
Integer ij = new Integer(i);

// 拆箱操作，将 Integer 对象中的值取出，放到一个基本数据类型中
int j = ii.intValue();

1.2 自动装箱和自动拆箱

可以看到在使用过程中，装箱和拆箱带来不少的代码量，所以为了减少开发者的负担，java 提供了自动机制。

int i = 10;

Integer ii = i; // 自动装箱
Integer ij = (Integer)i; // 自动装箱

int j = ii; // 自动拆箱
int k = (int)ii; // 自动拆箱

【面试题】
下列代码输出什么，为什么？

public static void main(String[] args) {
    Integer a = 100;
    Integer b = 100;

    Integer c = 128;
    Integer d = 128;

    System.out.println(a == b); //true
    System.out.println(c == d); //false
}

整个过程中唯一发生的操作就是装箱，而装箱操作调用的是valueOf方法，我们看看valueOf方法

我们可以看到这里有个参数 i，这个参数如果在 if 规定的范围内，就返回一个数组，cache是缓存的意思。我们可以把它理解成缓存数组。如果 i 不在这个范围内，就new了一个对象。

那么我们可以初步推测：我们的装箱操作，其实是在一个数组中进行的，这个数组是有一定的界限，当我们在这个数组内取同一个下标的元素，那么返回的值是一样的，如果我们在这个数组外取元素，那么就可能拿到的值不一样，那么现在有个问题：这个数组的界限在哪里呢？

也就是说，这个low的值是 -128，我们点进去 low

我们可以清晰地看到low的值为-128，而high的值为127 ，-128到127之间共有256个数字，也就是说如果这个 i 是属于这256个范围之内就会放到cache数组里面，

那么他是如何存进这个数组的呢？

我们拿边界值进行运算，先拿-128来算

所以0下标存的就是-128

我们再拿127来算

所以这个数组在0下标存的是-128，在255下标存的是127，我们在算个100

所以在228下标取到100这个数

我们回过头看这个代码

public static void main(String[] args) {
    Integer a = 100;
    Integer b = 100;

    Integer c = 128;
    Integer d = 128;

    System.out.println(a == b); //true
    System.out.println(c == d); //false
}

总结：a/b装箱操作每次取数据都是在228下标内取到这个100，这种情况下值就是一样的，如果我们取值为128的时候，是不是就超过了这个区间，超过区间就new一个新对象，拿到的数据就是不一样的

2. 什么是泛型

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》

泛型是在JDK1.5引入的新的语法，通俗讲，泛型：就是适用于许多许多类型。从代码上讲，就是对类型实现了参数化。

3. 引出泛型

实现一个类，类中包含一个数组成员，使得数组中可以存放任何类型的数据，也可以根据成员方法返回数组中某个下标的值？

思路：
1. 我们以前学过的数组，只能存放指定类型的元素，

例如：int[] array = new int[10];

String[] strs = new String[10];

2. 所有类的父类，默认为Object类。数组是否可以创建为Object?
代码示例：

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 class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyArray myArray = new MyArray();
        myArray.setVal(0,10);
        myArray.setVal(1,"hello");//字符串也可以存放
        String ret = myArray.getPos(1);//编译报错
        System.out.println(ret);
    }
}

问题：以上代码实现后发现
1. 任何类型数据都可以存放
2. 1号下标本身就是字符串，但是确编译报错。必须进行强制类型转换
虽然在这种情况下，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。

3.1 语法

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
}

上述代码进行改写如下：

class MyArray<T> {
    public T[] array = (T[])new Object[10];//1
    public T getPos(int pos) {
        return this.array[pos];
    }
    public void setVal(int pos,T val) {
        this.array[pos] = val;
    }
}
public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyArray<Integer> myArray = new MyArray<>();//2
        myArray.setVal(0,10);
        myArray.setVal(1,12);
        int ret = myArray.getPos(1);//3
        System.out.println(ret);
        myArray.setVal(2,"bit");//4
    }
}

代码解释：
1. 类名后的 <T> 代表占位符，表示当前类是一个泛型类
了解：【规范】类型形参一般使用一个大写字母表示，常用的名称有：
        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 - 第二、第三、第四个类型

2. 注释1处，不能new泛型类型的数组，意味着：
T[] ts = new T[5];//是不对的
3. 注释2处，类型后加入 <Integer> 指定当前类型
4. 注释3处，不需要进行强制类型转换
5. 注释4处，代码编译报错，此时因为在注释2处指定类当前的类型，此时在注释4处，编译器会在存放元素的时候帮助我们进行类型检查。

4 泛型类的使用

4.1 语法

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

4.2 示例

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

注意：泛型只能接受类，所有的基本数据类型必须使用包装类！

4.3 类型推导(Type Inference)

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

5. 裸类型(Raw Type) （了解）

5.1 说明

裸类型是一个泛型类但没有带着类型实参，例如 MyArrayList 就是一个裸类型

MyArray list = new MyArray();

注意：我们不要自己去使用裸类型，裸类型是为了兼容老版本的 API 保留的机制
下面的类型擦除部分，我们也会讲到编译器是如何使用裸类型的。
小结：
1. 泛型是将数据类型参数化，进行传递
2. 使用 <T> 表示当前类是一个泛型类。
3. 泛型目前为止的优点：数据类型参数化，编译时自动进行类型检查和转换

6 泛型如何编译的

6.1 擦除机制

那么，泛型到底是怎么编译的？这个问题，也是曾经的一个面试问题。泛型本质是一个非常难的语法，要理解好他还是需要一定的时间打磨。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。
Java的泛型机制是在编译级别实现的。编译器生成的字节码在运行期间并不包含泛型的类型信息。
有关泛型擦除机制的文章截介绍：https://zhuanlan.zhihu.com/p/51452375

提出问题：
1、那为什么，T[] ts = new T[5]; 是不对的，编译的时候，替换为Object，不是相当于：Object[] ts = new Object[5]吗？
2、类型擦除，一定是把T变成Object吗？

1、T[] ts = new T[5]; 是不对的，因为在Java中，泛型类型会在编译期间被擦除，无法创建泛型数组。编译器会将T[] ts = new T[5] 擦除为Object[] ts = new Object[5]，但这并不完全等价于 Object[] ts = new Object[5]。因为泛型有类型擦除的特点，当T被擦除为Object后，它就只是一个普通的Object类型，无法实现泛型的限制和约束。因此，如果使用T[] ts = new T[5]; 这种方式创建数组，当需要将数组中的元素赋值给T类型的变量时，可能会抛出ClassCastException异常。

2、类型擦除不一定是把T变成Object，泛型类型参数T会被替换为它的上限类型（如果T没有指定上限，则为Object）。例如，如果定义了一个泛型类：

```
public class MyClass<T extends Number> {
//...
}
```

在编译时，类型擦除会将T替换为Number。因此，MyClass<String>在编译后会被替换为MyClass<Number>。在实例化MyClass对象时，如果使用了非Number类型作为实际类型参数，编译器会报错。因此，泛型可以在编译时有效地约束类型参数的范围，提高了代码的安全性和可读性。

6.2 为什么不能实例化泛型类型数组

代码1：

class MyArray<T> {
    public T[] array = (T[])new Object[10];

    public T getPos(int pos) {
        return this.array[pos];
    }

    public void setVal(int pos,T val) {
        this.array[pos] = val;
    }

    public T[] getArray() {
        return array;
    }
}

public static void main(String[] args) {
    MyArray<Integer> myArray1 = new MyArray<>();
    Integer[] strings = myArray1.getArray();
}


/*
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: [Ljava.lang.Object; cannot be cast to [Ljava.lang.Integer;
at TestDemo.main(TestDemo.java:31)
*/

原因：替换后的方法为：将Object[]分配给Integer[]引用，程序报错。

public Object[] getArray() {
    return array;
}

通俗讲就是：返回的Object数组里面，可能存放的是任何的数据类型，可能是String，可能是Person，运行的时候，直接转给Integer类型的数组，编译器认为是不安全的

7 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。

7.1 语法

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

7.2 示例

public class MyArray<E extends Number> {
...

}

只接受 Number 的子类型作为 E 的类型实参

MyArray<Integer> l1; // 正常，因为 Integer 是 Number 的子类型
MyArray<String> l2; // 编译错误，因为 String 不是 Number 的子类型

error: type argument String is not within bounds of type-variable E
MyArrayList<String> l2;
^
where E is a type-variable:
E extends Number declared in class MyArrayList

了解：没有指定类型边界 E，可以视为 E extends Object

7.3 复杂示例

public class MyArray<E extends Comparable<E>> {
...
}

E必须是实现了Comparable接口的

8 泛型方法

8.1 定义语法

方法限定符 <类型形参列表> 返回值类型方法名称(形参列表) { ... }

8.2 示例

public class Util {
    //静态的泛型方法 需要在static后用<>声明泛型类型参数
    public static <E> void swap(E[] array, int i, int j) {
        E t = array[i];
        array[i] = array[j];
        array[j] = t;
    }
}

8.3 使用示例-可以类型推导

Integer[] a = { ... };
swap(a, 0, 9);

String[] b = { ... };
swap(b, 0, 9);

8.4 使用示例-不使用类型推导

Integer[] a = { ... };
Util.<Integer>swap(a, 0, 9);

String[] b = { ... };
Util.<String>swap(b, 0, 9);

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希望对大家有所帮助，感谢观看！！！