java 泛型詳解

對java的泛型特性的瞭解僅限於表面的淺淺一層，直到在學習設計模式時發現有不瞭解的用法，纔想起詳細的記錄一下。

本文參考java 泛型詳解、Java中的泛型方法、 java泛型詳解

1. 概述

泛型在java中有很重要的地位，在面向對象編程及各種設計模式中有非常廣泛的應用。

什麼是泛型？爲什麼要使用泛型？

泛型，即“參數化類型”。一提到參數，最熟悉的就是定義方法時有形參，然後調用此方法時傳遞實參。那麼參數化類型怎麼理解呢？顧名思義，就是將類型由原來的具體的類型參數化，類似於方法中的變量參數，此時類型也定義成參數形式（可以稱之爲類型形參），然後在使用/調用時傳入具體的類型（類型實參）。

泛型的本質是爲了參數化類型（在不創建新的類型的情況下，通過泛型指定的不同類型來控制形參具體限制的類型）。也就是說在泛型使用過程中，操作的數據類型被指定爲一個參數，這種參數類型可以用在類、接口和方法中，分別被稱爲泛型類、泛型接口、泛型方法。

2. 一個栗子

一個被舉了無數次的例子：

List arrayList = new ArrayList();
arrayList.add("aaaa");
arrayList.add(100);

for(int i = 0; i< arrayList.size();i++){
    String item = (String)arrayList.get(i);
    Log.d("泛型測試","item = " + item);
}

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毫無疑問，程序的運行結果會以崩潰結束：

java.lang.ClassCastException: java.lang.Integer cannot be cast to java.lang.String

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ArrayList可以存放任意類型，例子中添加了一個String類型，添加了一個Integer類型，再使用時都以String的方式使用，因此程序崩潰了。爲了解決類似這樣的問題（在編譯階段就可以解決），泛型應運而生。

我們將第一行聲明初始化list的代碼更改一下，編譯器會在編譯階段就能夠幫我們發現類似這樣的問題。

List<String> arrayList = new ArrayList<String>();
...
//arrayList.add(100); 在編譯階段，編譯器就會報錯

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3. 特性

泛型只在編譯階段有效。看下面的代碼：

List<String> stringArrayList = new ArrayList<String>();
List<Integer> integerArrayList = new ArrayList<Integer>();

Class classStringArrayList = stringArrayList.getClass();
Class classIntegerArrayList = integerArrayList.getClass();

if(classStringArrayList.equals(classIntegerArrayList)){
    Log.d("泛型測試","類型相同");
}

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輸出結果：D/泛型測試: 類型相同。

通過上面的例子可以證明，在編譯之後程序會採取去泛型化的措施。也就是說Java中的泛型，只在編譯階段有效。在編譯過程中，正確檢驗泛型結果後，會將泛型的相關信息擦出，並且在對象進入和離開方法的邊界處添加類型檢查和類型轉換的方法。也就是說，泛型信息不會進入到運行時階段。

對此總結成一句話：泛型類型在邏輯上看以看成是多個不同的類型，實際上都是相同的基本類型。

4. 泛型的使用

泛型有三種使用方式，分別爲：泛型類、泛型接口、泛型方法

4.3 泛型類

泛型類型用於類的定義中，被稱爲泛型類。通過泛型可以完成對一組類的操作對外開放相同的接口。最典型的就是各種容器類，如：List、Set、Map。

泛型類的最基本寫法（這麼看可能會有點暈，會在下面的例子中詳解）：

class 類名稱 <泛型標識：可以隨便寫任意標識號，標識指定的泛型的類型>{
  private 泛型標識 /*（成員變量類型）*/ var; 
  .....

  }
}

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一個最普通的泛型類：

//此處T可以隨便寫爲任意標識，常見的如T、E、K、V等形式的參數常用於表示泛型
//在實例化泛型類時，必須指定T的具體類型
public class Generic<T>{ 
    //key這個成員變量的類型爲T,T的類型由外部指定  
    private T key;

    public Generic(T key) { //泛型構造方法形參key的類型也爲T，T的類型由外部指定
        this.key = key;
    }

    public T getKey(){ //泛型方法getKey的返回值類型爲T，T的類型由外部指定
        return key;
    }
}

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//泛型的類型參數只能是類類型（包括自定義類），不能是簡單類型
//傳入的實參類型需與泛型的類型參數類型相同，即爲Integer.
Generic<Integer> genericInteger = new Generic<Integer>(123456);

//傳入的實參類型需與泛型的類型參數類型相同，即爲String.
Generic<String> genericString = new Generic<String>("key_vlaue");
Log.d("泛型測試","key is " + genericInteger.getKey());
Log.d("泛型測試","key is " + genericString.getKey());

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12-27 09:20:04.432 13063-13063/? D/泛型測試: key is 123456
12-27 09:20:04.432 13063-13063/? D/泛型測試: key is key_vlaue

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定義的泛型類，就一定要傳入泛型類型實參麼？並不是這樣，在使用泛型的時候如果傳入泛型實參，則會根據傳入的泛型實參做相應的限制，此時泛型纔會起到本應起到的限制作用。如果不傳入泛型類型實參的話，在泛型類中使用泛型的方法或成員變量定義的類型可以爲任何的類型。

看一個例子：

Generic generic = new Generic("111111");
Generic generic1 = new Generic(4444);
Generic generic2 = new Generic(55.55);
Generic generic3 = new Generic(false);

Log.d("泛型測試","key is " + generic.getKey());
Log.d("泛型測試","key is " + generic1.getKey());
Log.d("泛型測試","key is " + generic2.getKey());
Log.d("泛型測試","key is " + generic3.getKey());

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D/泛型測試: key is 111111
D/泛型測試: key is 4444
D/泛型測試: key is 55.55
D/泛型測試: key is false

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注意：

• 1. 泛型的類型參數只能是類類型，不能是簡單類型。

• 1. 不能對確切的泛型類型使用instanceof操作。如下面的操作是非法的，編譯時會出錯。

     if(ex_num instanceof Generic<Number>){   
     } 

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4.4 泛型接口

泛型接口與泛型類的定義及使用基本相同。泛型接口常被用在各種類的生產器中，可以看一個例子：

//定義一個泛型接口
public interface Generator<T> {
    public T next();
}

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當實現泛型接口的類，未傳入泛型實參時：

/**
 * 未傳入泛型實參時，與泛型類的定義相同，在聲明類的時候，需將泛型的聲明也一起加到類中
 * 即：class FruitGenerator<T> implements Generator<T>{
 * 如果不聲明泛型，如：class FruitGenerator implements Generator<T>，編譯器會報錯："Unknown class"
 */
class FruitGenerator<T> implements Generator<T>{
    @Override
    public T next() {
        return null;
    }
}

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當實現泛型接口的類，傳入泛型實參時：

/**
 * 傳入泛型實參時：
 * 定義一個生產器實現這個接口,雖然我們只創建了一個泛型接口Generator<T>
 * 但是我們可以爲T傳入無數個實參，形成無數種類型的Generator接口。
 * 在實現類實現泛型接口時，如已將泛型類型傳入實參類型，則所有使用泛型的地方都要替換成傳入的實參類型
 * 即：Generator<T>，public T next();中的的T都要替換成傳入的String類型。
 */
public class FruitGenerator implements Generator<String> {

    private String[] fruits = new String[]{"Apple", "Banana", "Pear"};

    @Override
    public String next() {
        Random rand = new Random();
        return fruits[rand.nextInt(3)];
    }
}

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4.5 泛型通配符

我們知道Ingeter是Number的一個子類，同時在特性章節中我們也驗證過Generic<Ingeter>與Generic<Number>實際上是相同的一種基本類型。那麼問題來了，在使用Generic<Number>作爲形參的方法中，能否使用Generic<Ingeter>的實例傳入呢？在邏輯上類似於Generic<Number>和Generic<Ingeter>是否可以看成具有父子關係的泛型類型呢？

爲了弄清楚這個問題，我們使用Generic<T>這個泛型類繼續看下面的例子：

public void showKeyValue1(Generic<Number> obj){
    Log.d("泛型測試","key value is " + obj.getKey());
}

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Generic<Integer> gInteger = new Generic<Integer>(123);
Generic<Number> gNumber = new Generic<Number>(456);

showKeyValue(gNumber);

// showKeyValue這個方法編譯器會爲我們報錯：Generic<java.lang.Integer> 
// cannot be applied to Generic<java.lang.Number>
// showKeyValue(gInteger);

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通過提示信息我們可以看到Generic<Integer>不能被看作爲`Generic<Number>的子類。由此可以看出:同一種泛型可以對應多個版本（因爲參數類型是不確定的），不同版本的泛型類實例是不兼容的。

回到上面的例子，如何解決上面的問題？總不能爲了定義一個新的方法來處理Generic<Integer>類型的類，這顯然與java中的多臺理念相違背。因此我們需要一個在邏輯上可以表示同時是Generic<Integer>和Generic<Number>父類的引用類型。由此類型通配符應運而生。

我們可以將上面的方法改一下：

public void showKeyValue1(Generic<?> obj){
    Log.d("泛型測試","key value is " + obj.getKey());
}

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類型通配符一般是使用？代替具體的類型實參，注意了，此處’？’是類型實參，而不是類型形參 。重要說三遍！此處’？’是類型實參，而不是類型形參 ！ 此處’？’是類型實參，而不是類型形參 ！再直白點的意思就是，此處的？和Number、String、Integer一樣都是一種實際的類型，可以把？看成所有類型的父類。是一種真實的類型。

可以解決當具體類型不確定的時候，這個通配符就是 ?  ；當操作類型時，不需要使用類型的具體功能時，只使用Object類中的功能。那麼可以用 ? 通配符來表未知類型。

4.6 泛型方法

在java中,泛型類的定義非常簡單，但是泛型方法就比較複雜了。

尤其是我們見到的大多數泛型類中的成員方法也都使用了泛型，有的甚至泛型類中也包含着泛型方法，這樣在初學者中非常容易將泛型方法理解錯了。

泛型類，是在實例化類的時候指明泛型的具體類型；泛型方法，是在調用方法的時候指明泛型的具體類型 。

/**
 * 泛型方法的基本介紹
 * @param tClass 傳入的泛型實參
 * @return T 返回值爲T類型
 * 說明：
 *     1）public 與 返回值中間<T>非常重要，可以理解爲聲明此方法爲泛型方法。
 *     2）只有聲明瞭<T>的方法纔是泛型方法，泛型類中的使用了泛型的成員方法並不是泛型方法。
 *     3）<T>表明該方法將使用泛型類型T，此時纔可以在方法中使用泛型類型T。
 *     4）與泛型類的定義一樣，此處T可以隨便寫爲任意標識，常見的如T、E、K、V等形式的參數常用於表示泛型。
 */
public <T> T genericMethod(Class<T> tClass)throws InstantiationException ,
  IllegalAccessException{
        T instance = tClass.newInstance();
        return instance;
}

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Object obj = genericMethod(Class.forName("com.test.test"));

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4.6.1 泛型方法的基本用法

光看上面的例子有的同學可能依然會非常迷糊，我們再通過一個例子，把我泛型方法再總結一下。

public class GenericTest {
   //這個類是個泛型類，在上面已經介紹過
   public class Generic<T>{     
        private T key;

        public Generic(T key) {
            this.key = key;
        }

        //我想說的其實是這個，雖然在方法中使用了泛型，但是這並不是一個泛型方法。
        //這只是類中一個普通的成員方法，只不過他的返回值是在聲明泛型類已經聲明過的泛型。
        //所以在這個方法中纔可以繼續使用 T 這個泛型。
        public T getKey(){
            return key;
        }

        /**
         * 這個方法顯然是有問題的，在編譯器會給我們提示這樣的錯誤信息"cannot reslove symbol E"
         * 因爲在類的聲明中並未聲明泛型E，所以在使用E做形參和返回值類型時，編譯器會無法識別。
        public E setKey(E key){
             this.key = keu
        }
        */
    }

    /** 
     * 這纔是一個真正的泛型方法。
     * 首先在public與返回值之間的<T>必不可少，這表明這是一個泛型方法，並且聲明瞭一個泛型T
     * 這個T可以出現在這個泛型方法的任意位置.
     * 泛型的數量也可以爲任意多個 
     *    如：public <T,K> K showKeyName(Generic<T> container){
     *        ...
     *        }
     */
    public <T> T showKeyName(Generic<T> container){
        System.out.println("container key :" + container.getKey());
        //當然這個例子舉的不太合適，只是爲了說明泛型方法的特性。
        T test = container.getKey();
        return test;
    }

    //這也不是一個泛型方法，這就是一個普通的方法，只是使用了Generic<Number>這個泛型類做形參而已。
    public void showKeyValue1(Generic<Number> obj){
        Log.d("泛型測試","key value is " + obj.getKey());
    }

    //這也不是一個泛型方法，這也是一個普通的方法，只不過使用了泛型通配符?
    //同時這也印證了泛型通配符章節所描述的，?是一種類型實參，可以看做爲Number等所有類的父類
    public void showKeyValue2(Generic<?> obj){
        Log.d("泛型測試","key value is " + obj.getKey());
    }

     /**
     * 這個方法是有問題的，編譯器會爲我們提示錯誤信息："UnKnown class 'E' "
     * 雖然我們聲明瞭<T>,也表明了這是一個可以處理泛型的類型的泛型方法。
     * 但是隻聲明瞭泛型類型T，並未聲明泛型類型E，因此編譯器並不知道該如何處理E這個類型。
    public <T> T showKeyName(Generic<E> container){
        ...
    }  
    */

    /**
     * 這個方法也是有問題的，編譯器會爲我們提示錯誤信息："UnKnown class 'T' "
     * 對於編譯器來說T這個類型並未項目中聲明過，因此編譯也不知道該如何編譯這個類。
     * 所以這也不是一個正確的泛型方法聲明。
    public void showkey(T genericObj){

    }
    */

    public static void main(String[] args) {


    }
}

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4.6.2 類中的泛型方法

當然這並不是泛型方法的全部，泛型方法可以出現雜任何地方和任何場景中使用。但是有一種情況是非常特殊的，當泛型方法出現在泛型類中時，我們再通過一個例子看一下

public class GenericFruit {
    class Fruit{
        @Override
        public String toString() {
            return "fruit";
        }
    }

    class Apple extends Fruit{
        @Override
        public String toString() {
            return "apple";
        }
    }

    class Person{
        @Override
        public String toString() {
            return "Person";
        }
    }

    class GenerateTest<T>{
        public void show_1(T t){
            System.out.println(t.toString());
        }

        //在泛型類中聲明瞭一個泛型方法，使用泛型E，這種泛型E可以爲任意類型。可以類型與T相同，也可以不同。
        //由於泛型方法在聲明的時候會聲明泛型<E>，因此即使在泛型類中並未聲明泛型，編譯器也能夠正確識別泛型方法中識別的泛型。
        public <E> void show_3(E t){
            System.out.println(t.toString());
        }

        //在泛型類中聲明瞭一個泛型方法，使用泛型T，注意這個T是一種全新的類型，可以與泛型類中聲明的T不是同一種類型。
        public <T> void show_2(T t){
            System.out.println(t.toString());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Apple apple = new Apple();
        Person person = new Person();

        GenerateTest<Fruit> generateTest = new GenerateTest<Fruit>();
        //apple是Fruit的子類，所以這裏可以
        generateTest.show_1(apple);
        //編譯器會報錯，因爲泛型類型實參指定的是Fruit，而傳入的實參類是Person
        //generateTest.show_1(person);

        //使用這兩個方法都可以成功
        generateTest.show_2(apple);
        generateTest.show_2(person);

        //使用這兩個方法也都可以成功
        generateTest.show_3(apple);
        generateTest.show_3(person);
    }
}

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4.6.3 泛型方法與可變參數

再看一個泛型方法和可變參數的例子：

public <T> void printMsg( T... args){
    for(T t : args){
        Log.d("泛型測試","t is " + t);
    }
}

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printMsg("111",222,"aaaa","2323.4",55.55);

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4.6.4 靜態方法與泛型

靜態方法有一種情況需要注意一下，那就是在類中的靜態方法使用泛型：靜態方法無法訪問類上定義的泛型；如果靜態方法操作的引用數據類型不確定的時候，必須要將泛型定義在方法上。

即：如果靜態方法要使用泛型的話，必須將靜態方法也定義成泛型方法 。

public class StaticGenerator<T> {
    ....
    ....
    /**
     * 如果在類中定義使用泛型的靜態方法，需要添加額外的泛型聲明（將這個方法定義成泛型方法）
     * 即使靜態方法要使用泛型類中已經聲明過的泛型也不可以。
     * 如：public static void show(T t){..},此時編譯器會提示錯誤信息：
          "StaticGenerator cannot be refrenced from static context"
     */
    public static <T> void show(T t){

    }
}

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4.6.5 泛型方法總結

泛型方法能使方法獨立於類而產生變化，以下是一個基本的指導原則：

無論何時，如果你能做到，你就該儘量使用泛型方法。也就是說，如果使用泛型方法將整個類泛型化，那麼就應該使用泛型方法。另外對於一個static的方法而已，無法訪問泛型類型的參數。所以如果static方法要使用泛型能力，就必須使其成爲泛型方法。

4.6 泛型上下邊界

在使用泛型的時候，我們還可以爲傳入的泛型類型實參進行上下邊界的限制，如：類型實參只准傳入某種類型的父類或某種類型的子類。

• 爲泛型添加上邊界，即傳入的類型實參必須是指定類型的子類型

public void showKeyValue1(Generic<? extends Number> obj){
    Log.d("泛型測試","key value is " + obj.getKey());
}

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Generic<String> generic1 = new Generic<String>("11111");
Generic<Integer> generic2 = new Generic<Integer>(2222);
Generic<Float> generic3 = new Generic<Float>(2.4f);
Generic<Double> generic4 = new Generic<Double>(2.56);

//這一行代碼編譯器會提示錯誤，因爲String類型並不是Number類型的子類
//showKeyValue1(generic1);

showKeyValue1(generic2);
showKeyValue1(generic3);
showKeyValue1(generic4);

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如果我們把泛型類的定義也改一下:

public class Generic<T extends Number>{
    private T key;

    public Generic(T key) {
        this.key = key;
    }

    public T getKey(){
        return key;
    }
}

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//這一行代碼也會報錯，因爲String不是Number的子類
Generic<String> generic1 = new Generic<String>("11111");

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再來一個泛型方法的例子：

//在泛型方法中添加上下邊界限制的時候，必須在權限聲明與返回值之間的<T>上添加上下邊界，即在泛型聲明的時候添加
//public <T> T showKeyName(Generic<T extends Number> container)，編譯器會報錯："Unexpected bound"
public <T extends Number> T showKeyName(Generic<T> container){
    System.out.println("container key :" + container.getKey());
    T test = container.getKey();
    return test;
}

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通過上面的兩個例子可以看出：泛型的上下邊界添加，必須與泛型的聲明在一起 。

4.7 關於泛型數組要提一下

看到了很多文章中都會提起泛型數組，經過查看sun的說明文檔，在java中是”不能創建一個確切的泛型類型的數組”的。

也就是說下面的這個例子是不可以的：

List<String>[] ls = new ArrayList<String>[10];  

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而使用通配符創建泛型數組是可以的，如下面這個例子：

List<?>[] ls = new ArrayList<?>[10];  

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這樣也是可以的：

List<String>[] ls = new ArrayList[10];

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下面使用Sun的一篇文檔的一個例子來說明這個問題：

List<String>[] lsa = new List<String>[10]; // Not really allowed.    
Object o = lsa;    
Object[] oa = (Object[]) o;    
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();    
li.add(new Integer(3));    
oa[1] = li; // Unsound, but passes run time store check    
String s = lsa[1].get(0); // Run-time error: ClassCastException.

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這種情況下，由於JVM泛型的擦除機制，在運行時JVM是不知道泛型信息的，所以可以給oa[1]賦上一個ArrayList而不會出現異常，但是在取出數據的時候卻要做一次類型轉換，所以就會出現ClassCastException，如果可以進行泛型數組的聲明，上面說的這種情況在編譯期將不會出現任何的警告和錯誤，只有在運行時纔會出錯。

而對泛型數組的聲明進行限制，對於這樣的情況，可以在編譯期提示代碼有類型安全問題，比沒有任何提示要強很多。

下面採用通配符的方式是被允許的:數組的類型不可以是類型變量，除非是採用通配符的方式，因爲對於通配符的方式，最後取出數據是要做顯式的類型轉換的。

List<?>[] lsa = new List<?>[10]; // OK, array of unbounded wildcard type.    
Object o = lsa;    
Object[] oa = (Object[]) o;    
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();    
li.add(new Integer(3));    
oa[1] = li; // Correct.    
Integer i = (Integer) lsa[1].get(0); // OK 

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5. 最後

本文中的例子主要是爲了闡述泛型中的一些思想而簡單舉出的，並不一定有着實際的可用性。另外，一提到泛型，相信大家用到最多的就是在集合中，其實，在實際的編程過程中，自己可以使用泛型去簡化開發，且能很好的保證代碼質量。