第九章泛型

原 作者 张毅迅 | 发表于 | 分类于 2019级

Java 学习笔记

第九章 泛型

泛型入门

编译时不检查类型的异常

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class ListErr {
   
    public static void main(String[] args)
    {
   
        List strList=new ArrayList();
        strList.add("lancibe");
        strList.add("xun");
        strList.add(5);
        strList.forEach(str -> System.out.println(((String)str).length()));
    }
}
  • 上面程序创建了一个LIst集合,而且只希望该集合保存字符串,但是如果不小心放入了一个Integer对象,则引发ClassCastExpection异常。

使用泛型

  • 对于前面的程序，可以使用泛型来改进该程序：

    import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class GenericList {
     
    public static void main(String args[])
    {
     
        //创建一个只想保存字符串的List集合
        List<String> strList = new ArrayList<>();
        strList.add("lancibe");
        strList.add("xun");
        //下面代码直接引起编译错误
        strList.add(5);
        strList.forEach(str -> System.out.println(str.length()));
    }
}

  • 此外，在最后一行输出的时候，不需要进行强制类型转换，因为strList对象可以“记住”他的所有集合元素都是String类型。

Java 9 增强的“菱形”语法

  • 在Java 7 以前，如果使用带有泛型的接口、类定义变量，那么调用构造器创建对象时构造器的后面也必须带泛型，这显得会有些多余。例如下面两条语句

    List<String> strList = new ArrayList<String>();
Map<String, Integer> scores = new HashMap<String, Integer>();

  • 上面两条语句后面的尖括号里的内容完全是多余的。故应该改写为如下格式

    List<String> strList = new ArrayList<>();
Map<String, Integer> scores = new HashMap<>();

  • 这种语法也被称为“菱形”语法，下面程序示范了Java 7 的菱形语法。

    import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;

public class DiamondTest {
     
    public static void main(String[] args)
    {
     
        //java自动推断出ArrayList的<>里应该是String
        List<String> books = new ArrayList<>();
        books.add("lancibe");
        books.add("xun");
        //遍历
        books.forEach(str -> System.out.println(str.length()));

        //使用map，结果一样
        Map<String, List<String>> schoolsInfo = new HashMap<>();
        List<String> schools = new ArrayList<>();
        schools.add("123");
        schools.add("456");
        schoolsInfo.put("xx", schools);
        schoolsInfo.forEach((key, value) -> System.out.println(key+"-->"+value));
    }
}

  • 程序运行结果如下：

    lancibe@lancibe-PC:~/java/test/src/chapte9/src$ java DiamondTest 
7
3
xx-->[123, 456]

  • Java 9 再次增强了“菱形”语法，他甚至允许在创建匿名内部类时使用菱形语法， Java可以根据上下文来推断匿名内部类中泛型的类型：

    interface Foo<T>
{
     
    void test(T t);
}

public class AnnoymousDiamond {
     
    public static void main(String[] args)
    {
     
        //制定Foo类中泛型为String
        Foo<String> f = new Foo<String>() {
     
            //必须要进行方法的重载，test方法的参数类型为String
            @Override
            public void test(String s) {
     
                System.out.println("test方法的s参数为："+s);
            }
        };

        //使用泛型通配符，此时相当于通配符的上限为Object
        Foo<?> fo = new Foo<Object>() {
     
            @Override
            public void test(Object o) {
     
                System.out.println("test方法的o参数为"+o);
            }
        };

        //使用泛型通配符，此时通配符上限为Number
        Foo<? extends Number> fn = new Foo<Number>() {
     
            @Override
            public void test(Number number) {
     
                System.out.println("test方法的Number参数为："+number);
            }
        };
    }
}

深入泛型

  • 所谓泛型，就是允许在定义类、接口、方法时使用类型形参、这个类型形参（或叫泛型）将在声明变量、创建对象、调用方法时动态地指定（即传入实际的类型参数，也可称为类型实参）。Java 5 改写了集合框架中的全部接口和类，为这些接口、类增加了泛型支持，从而可以在声明集合变量、创建集合对象时传入类型实参，这就是前面程序中看到的List<String>和ArrayList<String>两种类型。

定义泛型接口、类

  • 下面是Java 5 改写后List接口、Iterator接口、Map的代码片段。

    public interface List<E>
{
     
    void add<E x>;
    Iterator<E> iterator();
    ...
}
public interface Iterator<E>
{
     
    E next();
    boolean hasNext();
    ...
}
public interface Map<K, V>
{
     
    Set<K> keySet()
    V put(K key, V value)
    ...
}

  • 可以为任何类、接口增加泛型声明（并不是只有集合类才可以使用，但是集合类确实是泛型使用的重要场所）。

    public class Apple<T> {
     
    //使用T类型定义实例变量
    private T info;
    public Apple(){
     }
    //下面方法中使用T类型来定义构造器
    public Apple(T info)
    {
     
        this.info = info;
    }

    public void setInfo(T info) {
     
        this.info = info;
    }

    public T getInfo() {
     
        return this.info;
    }

    public static void main(String[] args)
    {
     
        //由于传给T形参的是String， 所以构造器参数只能是String
        Apple<String> a1 = new Apple<>("苹果");
        System.out.println(a1.getInfo());
        //同理
        Apple<Double> a2 = new Apple<>(5.67);
        System.out.println(a2.getInfo());
    }
}

从泛型类派生子类

  • 当创建了带泛型声明的接口、父类时，可以为该接口创建实现类、或从该父类派生子类，需要指出的是，**当使用这些接口、父类时不能再包含泛型形参。**例如下面代码就是错误的

    public class A extends Apple<T>{
     }

  • 方法中的形参代表变量、常亮、表达式等数据，本书把它们直接称为形参，或者称为数据形参。定义方法时可以声明数据形参、调用方法（使用方法）时必须为这些数据形参传入实际的数据；与此类似的是，定义类、接口、方法时可以声明泛型形参，使用类、接口、方法时应该为泛型形参传入实际的类型。

  • 如果想从Apple类派生一个子类，则可以改为如下代码：

    public class A extends Apple<String>

  • 调用方法时必须为所有数据形参传入参数值，与调用方法不同的是，使用类、接口时也可以不为泛型形参传入实际的类型参数，

    public class A extends Apple

  • 像这种使用Apple类时省略泛型的形式被称为原始类型（raw type）

  • 如果从Apple<String>类派生子类，则在Apple类中所有使用T类型的地方都将被替换成String类型，即他的子类将会继承到String getInfo()和void setInfo(String info)两个方法，如果子类需要重写父类的方法，就必须注意到这点。

    public class A1 extends Apple<String>{
     
    @Override
    public String getInfo() {
     
        return "子类"+super.getInfo();
    }
}

  • 如果使用Apple类时没有传入实际的类型（即使用原始类型），Java编译器可能会发出警告：使用了未经检查或不安全的操作——这就是泛型检查的警告。如果希望看到该警告提示的更详细的信息，则可以通过javac命令增加-Xlint:unchecked选项来实现。此时，系统会把Apple<T>类里的T形参当成Object来处理。

    public class A2 extends Apple {
     
    @Override
    public String getInfo() {
     
        //super.getIndo()是Object类型
        //所以加toString才是String类型
        return super.getInfo().toString();
    }
}

并不存在泛型类

List<String> l1 = new ArrayList<>();
List<Integer> l2 = new ArrayList<>();
System.out.println(l1.getClass() == l2.getClass());
  • 上面的代码片段输出true

类型通配符

  • 正如前面的，当使用一个泛型类时（包括声明变量和创建对象两种情况），都应该为这个泛型类传入一个类型实参。如果没有传入类型实际参数，编译器就会提出泛型警告。假设现在需要定义一个方法，该方法里有一个集合形参，集合形参的元素类型是不确定的，那应该怎样定义呢。

    public void test(List c)
{
     
    for (int i = 0 ; i < c.size() ; i++)
    {
     
        System.out.println(c.get(i));
    }
}

  • 上面的代码没有问题，但是List接口是需要类型参数的，因此会引起泛型警告。应使用下面方法

    public void test(List<Object> c)
{
     
    for (int i = 0 ; i < c.size() ; i++)
    {
     
        System.out.println(c.get(i));
    }
}

  • 与数组进行对比，先看数组是如何工作的，在数组中，程序可以直接把一个Integer[]数组赋给一个Number[]变量。如果试图把一个Double对象保存在该Number[]数组中，编译可以通过，但是在运行时跑出ArrayStoreException异常。

    public class ArrayErr {
     
    public static void main(String[] args)
    {
     
        Integer[] ia = new Integer[5];
        Number[] na = ia;
        na[0] = 0.5;
    }
}

  • 上面程序会在运行时异常。

使用类型通配符

  • 为了表示各种泛型List的父类，可以使用类型通配符，类型通配符是一个问号，表示将一个问号作为类型实参传给List集合，写作：List<?>（意思是元素类型未知的List）。这个问号被称为通配符，他的元素类型可以匹配任何类型。可以将上面方法改写为如下格式：

    public void test(List<?> c)
{
     
    for (int i = 0 ; i < c.size() ; i++)
    {
     
        System.out.println(c.get(i));
    }
}

  • 现在任何类型的List来调用它程序依然可以访问c中的元素，其类型是Object，这永远是安全的，因为不管List的真是类型是什么，它包含的都是Object

  • 但这种带通配符的List仅表示他是各种泛型List的父类，并不能把元素加入其中，否则代码将会引起错误。

    List<?> c = new ArrayList<String>();
//下面代码将引起编译错误
c.add(new Object());

设定类型通配符的上限

  • 下面先定义三个形状类

    import java.awt.*;

public abstract class Shape {
     
    public abstract void draw(Canvas c);
}

    import java.awt.*;

public class Circle extends Shape{
     
    //方法实现
    @Override
    public void draw(Canvas c) {
     
        System.out.println("在画布"+c+"上画一个圆");
    }
}

    import java.awt.*;

public class Rectangle extends Shape {
     
    @Override
    public void draw(Canvas c) {
     
        System.out.println("把一个矩形画在画布"+c+"上");
    }
}

  • Shape是一个抽象父类，有两个子类：Circle和Rectangle。接下来定义一个Canvas类，该画布类可以画数量不等的形状（Shape子类的对象），那应该如何定义这个Canvas类呢。考虑如下的Canvas实现类

    import java.util.List;

public class Canvas {
     
    //同时在画布上绘制多个形状
    public void drawAll(List<Shape> shapes)
    {
     
        for (Shape s : shapes)
        {
     
            s.draw(this);
        }
    }
}

  • 这将会引起编译错误。关键在于List<Circle>并不是List<Shape>的子类型，所以不能把前者对象当成后者使用。被限制的泛型通配符如下：

    List<? extends Shape>

  • 有了这种被限制的泛型通配符，就可以把上面的Canvas程序改为如下形式

    import org.jetbrains.annotations.NotNull;
import java.util.List;

public class Canvas {
     
    //同时在画布上绘制多个形状
    public void drawAll(@NotNull List<? extends Shape> shapes)
    {
     
        for (Shape s : shapes)
        {
     
            s.draw(this);
        }
    }
}

  • 对于更广泛的泛型来说，指定通配符上限就是为了支持类型形变。比如Foo是Bar的子类，A<Bar>就相当于A<? extends Foo>的子类，可以将A<Bar>赋值给A<? extends Foo>类型的变量，这种型变方式被称为协变。

  • 对于协变的泛型类来说，它只能调用泛型类型作为返回值类型的方法（编译器会将该方法返回值当成通配符上限的类型），而不能调用泛型类型作为参数的方法。

设定类型通配符的下限

  • 形式为A<? super Xxx>

    import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;
import java.util.List;

public class MyUtils {
     
    //下面dest集合元素的类型必须与src集合元素的类型相同，或者是其父类
    public static <T> T copy(Collection<? super T> dest, Collection<T> src)
    {
     
        T last = null;
        for (T ele : src)
        {
     
            last = ele;
            //逆变的泛型集合添加元素是安全的
            dest.add(ele);
        }
        return last;
    }
    public static void main(String[] args)
    {
     
        List<Number> ln = new ArrayList<>();
        List<Integer> li = new ArrayList<>();
        li.add(5);
        //此处可准确的知道最后一个被复制的元素是Integer类型
        //与src集合元素的类型相同
        Integer last = copy(ln, li);
        System.out.println(ln);
    }
}

  • 使用这种语句，就可以保证在最后调用后推断出最后一个被复制的元素类型是Integer，而不是笼统的Number类型。

  • 实际上，Java 集合框架中的TreeSet<E>有一个构造器也用到了这种设定通配符下限的语法，如下所示。

    TreeSet(Comparator<? super E> c)

  • 正如前一章介绍的，TreeSet会对集合中的元素按自然顺序或定制顺序进行排序。如果需要TreeSet对集合中的所有元素进行定制排序，则要求TreeSet对象有一个与之关联的Comparator对象。上面构造器中的参数c就是进行定制排序的Comparator对象。

  • Comparator接口也是一个带泛型声明的接口

    public interface Comparator<T>
{
     
    int compare (T fst, T snd);
}

  • 通过这种带下限的通配符的语法，可以在创建TreeSet对象时灵活地选择合适的Comparator。假定需要创建一个TreeSet<String>集合，并传入一个可以比较String大小的Comparator，这个Comparator既可以是Comparator<String>，也可以是Comparator<Object>——只要尖括号里传入的类型是String的父类型（或它本身）即可。

    import java.util.Comparator;
import java.util.TreeSet;

public class TreeSetTest {
     
    public static void main(String[] args)
    {
     
        //Comparator的实际类型时TreeSet的元素类型的父类，满足要求
        TreeSet<String> ts1 = new TreeSet<>(new Comparator<Object>() {
     
            @Override
            public int compare(Object fst, Object snd) {
     
                return hashCode() > snd.hashCode() ? 1
                        : hashCode() < snd.hashCode() ? -1 : 0;
            }
        });
        ts1.add("hello");
        ts1.add("wa");

        TreeSet<String> ts2 = new TreeSet<>(new Comparator<String>() {
     
            @Override
            public int compare(String o1, String o2) {
     
                return o1.length() > o2.length() ? -1
                        : o1.length() < o2.length() ? 1 : 0;
            }
        });
        ts2.add("hello");
        ts2.add("wa");
        System.out.println(ts1);
        System.out.println(ts2);
    }
}

设定泛型形参的上限

  • Java 泛型不仅允许在使用通配符形参时设定上限，而且可以在定义泛型形参时设定上限，用于表示传给该泛型形参的实际类型要么是该上限类型，要么是该上限类型的子类。

    public class Apple2<T extends Number> {
     
    T col;
    public static void main(String[] args)
    {
     
        Apple2<Integer> ai = new Apple2<>();
        Apple2<Double> ad = new Apple2<>();
        //下面代码编译异常，试图把String类型传给T形参
        Apple2<String> as = new Apple2<>();
    }
}

泛型方法

定义泛型方法

  • 假设需要实现这样的方法：该方法负责将一个Object数组的所有元素添加到一个Collection集合中。考虑采用如下代码实现：

    static void fromArrayToCollection(Object[] a, Collection<Object> c)
{
     
    for (Object o : a)
    {
     
        c.add(o);
    }
}

  • 上面定义的方法没有任何问题，关键在于方法中的c形参，他的数据类型是Collection<Object>。正如前面介绍的，Collection<String>不是Collection<Object>的子类型——所以这个方法的功能非常有限，他只能将Object[]数组的元素赋值到元素为Object的Collection集合中，即下面代码编译错误

    String[] strArr = {
     "a", "b"};
List<String> strList = new ArrayList<>();
fromArrayToCollection(strArr, strList);

  • 为解决这个问题，可以使用Java 5 提供的泛型方法（Generic Method）。所谓泛型方法，就是在声明方法时定义一个或多个泛型形参。泛型方法的语法格式如下：

    修饰符 <T, S> 返回值类型 方法名(形参列表)
{
     
	//方法体
}

  • 前面的fromArrayToCollection可以改写为如下格式：

    static <T> void fromArrayToCollection (T[] a, Collection<T> c)
{
     
    for (T o : a)
    {
     
        c.add(o);
    }
}

  • 下面程序示范了完整的用法：

    import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;

public class GenericMethodTest {
     
    static <T> void fromArrayToCollection (T[] a, Collection<T> c)
    {
     
        for (T o : a)
        {
     
            c.add(o);
        }
    }
    public static void main(String[] args)
    {
     
        Object[] oa = new Object[100];
        Collection<Object> co = new ArrayList<>();
        //下面代码中T代表Object类型
        fromArrayToCollection(oa, co);
        String[] sa = new String[100];
        Collection<String> cs = new ArrayList<>();
        //下面代码中T代表String类型
        fromArrayToCollection(sa, cs);
        //下面代码中T代表Object类型
        fromArrayToCollection(sa, co);
        Integer[] ia = new Integer[100];
        Float[] fa = new Float[100];
        Number[] na = new Number[100];
        Collection<Number> cn = new ArrayList<>();
        //下面代码中T代表Number类型
        fromArrayToCollection(ia, cn);
        //下面代码中T代表Number类型
        fromArrayToCollection(fa, cn);
        //下面代码中T代表Number类型
        fromArrayToCollection(na, cn);
        //下面代码中T代表Object类型
        fromArrayToCollection(na, co);
        //下面代码中T代表一个String类型，但na是一个Number数组
        //因为Number既不是String类型也不是它的子类，所以会出现编译错误
        //fromArrayToCollection(na, cs);
    }
}

泛型方法和类型通配符的区别

  • 大多数时候都可以使用泛型方法来代替类型通配符，也可以同时使用泛型方法和通配符

Java 7 的“菱形”语法与泛型构造器

  • 一旦定义了泛型构造器，接下来在调用构造器时，就不仅可以让Java根据数据参数的类型来“推断”泛型形参的类型，而且程序员也可以显式地为构造器中的泛型形参指定实际的类型：

    class Foo2
{
     
    public <T> Foo2(T t)
    {
     
        System.out.println(t);
    }
}
public class GenericConstructor {
     
    public static void main(String[] args)
    {
     
        new Foo2("lancibe");
        new Foo2(200);
        new <String> Foo2("xun");
        new <Double> Foo2(12.3);
    }
}

  • 要注意：**如果程序显式地指定了泛型构造器中声明的泛型形参的实际类型，则不可以使用“菱形”语法。**例如如下代码就是错误的

    MyClas<String> mc = new <Integer> MyClass<>(5);

泛型方法与方法重载

  • 形式如下：

    public static <T> void copy(Collection<T> dest, Collection<? extends T> src){
     ...}
public static <T> void copy(Collection<? super T? dest, Collection<T> src){
     ...}

  • 比较好理解。

Java 8 改进的类型推断

  • Java 8 改进了泛型方法的类型推断能力，类型推断主要有如下两个方面

    • 可通过调用方法的上下文来推断泛型的目标类型
    • 可在方法调用链中，将推断得到的泛型传递到最后一个方法

  • 如下程序示范了Java 8 对泛型方法的类型推断

    class MyUtil<E>
{
     
    public static <Z> MyUtil<Z> nil()
    {
     
        return null;
    }
    public static <Z> MyUtil<Z> cons(Z head, MyUtil<Z> tail)
    {
     
        return null;
    }
    E head()
    {
     
        return null;
    }
}
public class InferenceTest {
     
    public static void main(String[] args)
    {
     
        //通过方法赋值的目标参数推断泛型为String
        MyUtil<String> ls = MyUtil.nil();
        //无需使用下面语句在调用nil()方法时制定泛型的类型
        MyUtil<String> mu = MyUtil.<String>nil();
        //可调用cons()方法所需的参数类型来推断泛型为Integer
        MyUtil.cons(42, MyUtil.nil());
        //无需使用下面语句
        MyUtil.cons(42, MyUtil.<Integer>nil());
    }
}

擦除和转换

  • 在严格的泛型代码里，带泛型声明的类总应该带着类型参数。但为了与老的Java代码保持一致，也允许在使用带泛型声明的类时不指定实际类型。如果没有为这个泛型类指定实际的类型，此时被称作raw type（原始类型），默认是声明该泛型形参时指定的第一个上限类型。

  • 当把一个具有泛型信息的对象赋给另一个没有泛型信息的变量时，所有在尖括号之间的类型信息都被扔掉。比如一个List<String>被转换为List，则该List对集合元素的类型检查变成了泛型参数上限（即Object）。下面程序示范了这种擦除：

    class Apple3<T extends Number>
{
     
    T size;
    public Apple3(){
     }
    public Apple3(T size)
    {
     
        this.size = size;
    }

    public void setSize(T size) {
     
        this.size = size;
    }

    public T getSize() {
     
        return this.size;
    }
}
public class ErasureTest {
     
    public static void main(String[] args)
    {
     
        Apple3<Integer> a = new Apple3<>(6);
        //a的getSize()方法返回Integer对象
        Integer as = a.getSize();
        //把a对象赋给Apple3变量，丢失尖括号里的类型信息
        Apple3 b = a;
        //b只知道size的类型是Number
        Number size1 = b.getSize();
        //下面代码编译错误
        //Integer size2 = b.getSize();
    }
}

泛型与数组

  • Java泛型有一个很重要的设计原则——如果一段代码在编译时没有提出未经检查的转换的警告，则运行时不会引发ClassCastException异常。正是基于这个原因，数组元素的类型不能包含泛型变量或泛型形参，除非是无上限的类型通配符。

  • Java允许创建无上限的通配符泛型数组，例如new ArrayList<?>[10]