【一天一個基礎系列】- java之泛型篇

簡介

• 說起各種高階語言，不得不談泛型，當我們在使用java集合的時候，會發現集合有個缺點：把一個物件“丟進”集合之後，集合就會“忘記”這個物件的資料型別，當再次取出該物件時，改物件的編譯型別就變成了Object型別

  • 問題1：集合對元素型別沒有任何限制，這樣可能會引發一些問題，比如建立一個用於儲存A物件的集合，但不小心把B物件放進去，會引發異常
  • 問題2: 由於把物件放進去時，集合對視了物件的狀態資訊，集合只知道它盛裝的是Object，因此去取集合元素後通常還需要進行強制型別裝換，這個過程不僅增加了程式設計的複雜度，還可能引發CLassCastException異常

• 為解決以上問題，便引入“泛型”

  • java 5以後，java引入了“引數化型別”的概念，允許程式在建立集合時指定集合元素的型別

  • java 7之前，如果使用帶泛型的介面、類定義變數，那麼呼叫構造器建立物件時構造器的後面也必須帶泛型

    • 比如

    //java 7之前
    List<String> list = new ArrayList<String>();//後面的<String>是必須帶上的
    //java 7之後,"菱形"語法
    List<String> list = new ArrayList<>();
    
    

    注：java 9允許在使用匿名內部類時使用菱形語法

  • 概念定義：允許在定義類、介面、方法時使用型別形參，這個型別形參將在宣告變數、建立物件、呼叫方式動態地指定

  • 我們來看一下定義泛型介面、類

    /**
    * 定義泛型介面，實質：允許在定義介面、類時什麼型別形參，
    * 型別形參在整個介面、類體內可當成型別使用，幾乎所有可
    * 使用普通型別的地方都可以使用這種型別形參
    */
    public interface List<T> {
    	void add(T x);
    }
    
    /**
    * 定義
    * 
    * 
    */
    @Data
    public class Clazz<T> {
    	private T a;
    	public Clazz(T a){
    		this.a = a;
    	}
    }
    
    //使用Clazz
    pulic void method(){
    	Clazz<String> clazz = new Clazz<>("");
    }
    

  • 從泛型類派生子類

    • 當建立了帶泛型宣告的介面、父類之後，可以為該介面建立實現類，或從該父類派生子類，需要指出的是，當使用這些介面、父類時不能再包含泛型形參

    //定義類Son類繼承Parent類
    public class Son extends Parenet<T>{
    }
    
    //使用Parent類時為T形參傳入String型別
    public class Son extends Parent<String>{
    }
    
    //使用Parent類時，沒有為T形參傳入實際的型別引數
    public class Son extends Parent{
    }
    

    像這種使用Parent類時省略泛型的形式被稱為原始型別（raw type）
    如果從Parent類派生子類，則在Parent類中所有使用T型別的地方都將被替換成String型別

  • 並不存在泛型類

    • List<String>與List<Integer> 建立出來的是同樣class檔案，它們在執行時總有同樣的類，故在靜態方法、靜態初始化塊或者靜態變數的生命和初始化中不允許使用泛型形參

    public class R<T>{
    	//錯誤，不能在靜態變數宣告中使用泛型形參
    	static T info;
    	//錯誤，不能再靜態方法宣告中使用泛型形參
    	public void foo(T p){
    	}
    }
    

  • 型別萬用字元

    • 定義：為了表示各種泛型List的父類，可以使用型別萬用字元，型別萬用字元是一個問號（?），將一個問號作為型別實參傳給List集合，寫作：List<?>（意思是元素型別未知的List）。這個問號（?）被稱為萬用字元，它的元素型別可以匹配任何型別
    • 型別萬用字元的上限
      • 定義：當直接使用List<?>·這種形式時，即表明這個List集合可以是任何泛型List的父類。但還有一種特殊的情形，程式不希望這個List<?>`是任何泛型List的父類，只希望它代表某一類泛型List的父類

      //定義上限為Parent類，表示泛型形參必須是Parent子類
      List<? extends Parent>
      

      • 協變：對於更廣泛的泛型類來說，指定萬用字元上限就是為了支援型別型變。比如Foo是Bar的子類，這樣A<Foo>就相當於A<? extends Bar>的子類，可以將A<Foo>賦值給A<? extends Bar>型別的變數，這種型變方式被稱為協變
    • 型別萬用字元的下限
      • 定義:萬用字元的下限用<? super型別>的方式來指定，萬用字元下限的作用與萬用字元上限的作用恰好相反

      //定義下限為Parent類
      List<? super Parent>
      

      • 逆變:比如Foo是Bar的子類，當程式需要一個A<? super Foo>變數時，程式可以將A<Bar>、A<Object>賦值給A<? super Foo>型別的變數，這種型變方式被稱為逆變

      對於逆變的泛型而言，它只能呼叫泛型型別作為引數的方法；而不能呼叫泛型型別作為返回值型別的方法。口訣是：逆變只進不出

  • 泛型方法

    • 定義:所謂泛型方法，就是在宣告方法時定義一個或多個泛型形參,與類、介面中使用泛型引數不同的是，方法中的泛型引數無須顯式傳入實際型別引數

      修飾符<T,S>返回值型別 方法名（形參列表）{
      	//TODO
      }
      

    • 泛型方法和型別萬用字元的區別
      • 使用萬用字元比使用泛型方法（在方法簽名中顯式宣告泛型形參）更加清晰和準確
      • 型別萬用字元既可以在方法簽名中定義形參的型別，也可以用於定義變數的型別；但泛型方法中的泛型形參必須在對應方法中顯式宣告
      • 大多數時候都可以使用泛型方法來代替型別萬用字元

        //使用型別萬用字元
        public interface Collection<E>{
        	void add(Collection<?> p);
        	void delete(Collection<? extends E> p)
        }
        
        //使用泛型方法
        public interface Collection<E>{
        	<T> void add(Collection<T> p);
        	<T extends E> void delete(Collection<T> p)
        }
        

      • 也可以同時使用泛型方法和萬用字元

        public class Collections{
        	public static <T> void copy(List<T> dest,List<? extends T> src){}
        }
        

  • “菱形”語法與泛型構造器

    • “菱形”語法前面已經提到，不再贅述，說一下啥是泛型構造器，其實就是java允許構造器簽名中宣告泛型形參

      class Foo{
      	public <T> Foo(T t){
      	}
      }
      
      public void method(){
      	//泛型構造器中T型別為String
      	new Foo("");
      	//也可以這麼定義，顯示指定T型別為String
      	new<String> Foo("");
      	//泛型構造器中T型別為Integer
      	new Foo(10);
      }
      

  • 泛型方法與方法過載

    • 因為泛型既允許設定萬用字元的上限，也允許設定萬用字元的下限，從而允許在一個類裡包含以下兩種方法的定義

      <T> void copy(Collection<T> des,Collection<? extends T> src){};
      <T> T copy(Collection<? super T> des,Collection<T> src){};
      

    • 過載的情況

      public void method(List<String> list){}
      public void method(List<Integer> list){}
      

      • 上述這段程式碼是不能被編譯的，因為引數List<Integer>和List<String>編譯之後都被擦除了， 變成了同一種的裸型別List，型別擦除導致這兩個方法的特徵簽名變得一模一樣(下面會提到型別擦除)

  • 型別推斷

    • java 8改進了泛型方法的型別推斷能力，型別推斷主要有如下兩方面
      • 1）可通過呼叫方法的上下文來推斷泛型的目標型別
      • 2）可在方法呼叫鏈中，將推斷得到的泛型傳遞到最後一個方法

  • 泛型擦除和轉換

    • 擦除：當把一個具有泛型資訊的物件賦給另一個沒有泛型資訊的變數時，所有在尖括號之間的型別資訊都將被扔掉；Java程式碼編譯成Class檔案， 然後再用位元組碼反編譯工具進行反編譯後， 將會發現泛型都不見了， 程式又變回了Java泛型出現之前的寫法， 泛型型別都變回了裸型別(List<String> 對應的裸型別就是List)
      • 比如：List<String> 型別會被轉換成List,則該List對集合元素的型別檢查變成了泛型引數的上限（Object）,那麼在使用，比如插入的時候，又會出現從Object到String的強制轉型程式碼
      • 擦除法所謂的擦除， 僅僅是對方法的Code屬性中的位元組碼進行擦除， 實際上後設資料中還是保留了泛型資訊， 這也是我們在編碼時能通過反射手段取得引數化型別的根本依據
    • java不支援原生型別的泛型，即是不支援 int/long等，List<int>這種是不支援的，那麼一旦把泛型資訊擦除後，遇到原生型別時把裝箱、 拆箱也自動做了，這也成為Java泛型慢的重要原因

  • 泛型與陣列

    • 陣列元素的型別不能包含泛型變數或泛型形參，除非是無上限的型別萬用字元，但可以宣告元素型別包含泛型變數或泛型形參的陣列。也就是說，只能宣告List<String>[]形式的陣列，但不能建立ArrayList<String>[10]這樣的陣列物件

• 總結：Java的泛型在使用期間需要更加註意泛型擦除的情況，總體而言，其寫法也並不優雅。也希望未來的泛型會支援基本型別。