跟着刚哥梳理java知识点——泛型（十三）

一. 泛型概念的提出（为什么需要泛型）？

首先，我们看下下面这段简短的代码:

  public class GenericTest {

      public static void main(String[] args) {
          List list = new ArrayList();
          list.add("qqyumidi");
          list.add("corn");
          list.add(100);
  
          for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
             String name = (String) list.get(i); // 1
             System.out.println("name:" + name);
         }
     }
 }

 

定义了一个List类型的集合，先向其中加入了两个字符串类型的值，随后加入一个Integer类型的值。这是完全允许的，因为此时list默认的类型为Object类型。在之后的循环中，由于忘记了之前在list中也加入了Integer类型的值或其他编码原因，很容易出现类似于//1中的错误。因为编译阶段正常，而运行时会出现“java.lang.ClassCastException”异常。因此，导致此类错误编码过程中不易发现。

 在如上的编码过程中，我们发现主要存在两个问题：

1.当我们将一个对象放入集合中，集合不会记住此对象的类型，当再次从集合中取出此对象时，改对象的编译类型变成了Object类型，但其运行时类型任然为其本身类型。

2.因此，//1处取出集合元素时需要人为的强制类型转化到具体的目标类型，且很容易出现“java.lang.ClassCastException”异常。

那么有没有什么办法可以使集合能够记住集合内元素各类型，且能够达到只要编译时不出现问题，运行时就不会出现“java.lang.ClassCastException”异常呢？答案就是使用泛型。

二.什么是泛型？

泛型，即“参数化类型”。一提到参数，最熟悉的就是定义方法时有形参，然后调用此方法时传递实参。那么参数化类型怎么理解呢？顾名思义，就是将类型由原来的具体的类型参数化，类似于方法中的变量参数，此时类型也定义成参数形式（可以称之为类型形参），然后在使用/调用时传入具体的类型（类型实参）。

 看着好像有点复杂，首先我们看下上面那个例子采用泛型的写法。

public class GenericTest {
  
      public static void main(String[] args) {
          /*
          List list = new ArrayList();
          list.add("qqyumidi");
          list.add("corn");
          list.add(100);
          */
 
         List<String> list = new ArrayList<String>();
         list.add("qqyumidi");
         list.add("corn");
         //list.add(100);   // 1  提示编译错误
 
         for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
             String name = list.get(i); // 2
             System.out.println("name:" + name);
         }
     }
 }

采用泛型写法后，在//1处想加入一个Integer类型的对象时会出现编译错误，通过List<String>，直接限定了list集合中只能含有String类型的元素，从而在//2处无须进行强制类型转换，因为此时，集合能够记住元素的类型信息，编译器已经能够确认它是String类型了。

结合上面的泛型定义，我们知道在List<String>中，String是类型实参，也就是说，相应的List接口中肯定含有类型形参。且get()方法的返回结果也直接是此形参类型（也就是对应的传入的类型实参）。下面就来看看List接口的的具体定义：

public interface List<E> extends Collection<E> {
 
      int size();
  
      boolean isEmpty();
  
      boolean contains(Object o);
  
      Iterator<E> iterator();
 
     Object[] toArray();
 
     <T> T[] toArray(T[] a);
 
     boolean add(E e);
 
     boolean remove(Object o);
 
     boolean containsAll(Collection<?> c);
 
     boolean addAll(Collection<? extends E> c);
 
     boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);
 
     boolean removeAll(Collection<?> c);
 
     boolean retainAll(Collection<?> c);
 
     void clear();
 
     boolean equals(Object o);
 
     int hashCode();
 
     E get(int index);
 
     E set(int index, E element);
 
     void add(int index, E element);
 
     E remove(int index);
 
     int indexOf(Object o);
 
     int lastIndexOf(Object o);
 
     ListIterator<E> listIterator();
 
     ListIterator<E> listIterator(int index);
 
     List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);
 }

我们可以看到，在List接口中采用泛型化定义之后，<E>中的E表示类型形参，可以接收具体的类型实参，并且此接口定义中，凡是出现E的地方均表示相同的接受自外部的类型实参。

自然的，ArrayList作为List接口的实现类，其定义形式是：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> 
          implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
      
      public boolean add(E e) {
          ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
          elementData[size++] = e;
          return true;
      }
      
     public E get(int index) {
         rangeCheck(index);
         checkForComodification();
         return ArrayList.this.elementData(offset + index);
     }
     
     //...省略掉其他具体的定义过程
 
 }

 

由此，我们从源代码角度明白了为什么//1处加入Integer类型对象编译错误，且//2处get()到的类型直接就是String类型了。

三.自定义泛型接口、泛型类和泛型方法

从上面的内容中，大家已经明白了泛型的具体运作过程。也知道了接口、类和方法也都可以使用泛型去定义，以及相应的使用。是的，在具体使用时，可以分为泛型接口、泛型类和泛型方法。

自定义泛型接口、泛型类和泛型方法与上述Java源码中的List、ArrayList类似。如下，我们看一个最简单的泛型类和方法定义：

public class GenericTest {
      public static void main(String[] args) {
  
          Box<String> name = new Box<String>("corn");
          System.out.println("name:" + name.getData());
      }
  }
 
 class Box<T> {
 
     private T data;
 
     public Box() {
 
     }
     public Box(T data) {
         this.data = data;
     }
     public T getData() {
         return data;
     }
 } 

在泛型接口、泛型类和泛型方法的定义过程中，我们常见的如T、E、K、V等形式的参数常用于表示泛型形参，由于接收来自外部使用时候传入的类型实参。那么对于不同传入的类型实参，生成的相应对象实例的类型是不是一样的呢？

public class GenericTest {
      public static void main(String[] args) {
          Box<String> name = new Box<String>("corn");
          Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);

          System.out.println("name class:" + name.getClass());      // com.qqyumidi.Box
          System.out.println("age class:" + age.getClass());        // com.qqyumidi.Box
          System.out.println(name.getClass() == age.getClass());    // true
     }
 }

 

由此，我们发现，在使用泛型类时，虽然传入了不同的泛型实参，但并没有真正意义上生成不同的类型，传入不同泛型实参的泛型类在内存上只有一个，即还是原来的最基本的类型（本实例中为Box），当然，在逻辑上我们可以理解成多个不同的泛型类型。

究其原因，在于Java中的泛型这一概念提出的目的，导致其只是作用于代码编译阶段，在编译过程中，对于正确检验泛型结果后，会将泛型的相关信息擦出，也就是说，成功编译过后的class文件中是不包含任何泛型信息的。泛型信息不会进入到运行时阶段。

对此总结成一句话：泛型类型在逻辑上看以看成是多个不同的类型，实际上都是相同的基本类型。

四.类型通配符

接着上面的结论，我们知道，Box<Number>和Box<Integer>实际上都是Box类型，现在需要继续探讨一个问题，那么在逻辑上，类似于Box<Number>和Box<Integer>是否可以看成具有父子关系的泛型类型呢？

为了弄清这个问题，我们继续看下下面这个例子:

 public class GenericTest {
  
      public static void main(String[] args) {
  
          Box<Number> name = new Box<Number>(99);
          Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
  
          getData(name);
       
         //The method getData(Box<Number>) in the type GenericTest is 
         //not applicable for the arguments (Box<Integer>)
         getData(age);   // 1
 
     }
     
     public static void getData(Box<Number> data){
         System.out.println("data :" + data.getData());
     }  
 }

 

我们发现，在代码//1处出现了错误提示信息：The method getData(Box<Number>) in the t ype GenericTest is not applicable for the arguments (Box<Integer>)。显然，通过提示信息，我们知道Box<Number>在逻辑上不能视为Box<Integer>的父类。那么，原因何在呢？

public class GenericTest {
  
      public static void main(String[] args) {
  
          Box<Integer> a = new Box<Integer>(712);
          Box<Number> b = a;  // 1
          Box<Float> f = new Box<Float>(3.14f);
          b.setData(f);        // 2
  
     }
 
     public static void getData(Box<Number> data) {
         System.out.println("data :" + data.getData());
     }
 
 }
 
 class Box<T> {
 
     private T data;
 
     public Box() {
 
     }
 
     public Box(T data) {
         setData(data);
     }
 
     public T getData() {
         return data;
     }
 
     public void setData(T data) {
         this.data = data;
     }
 
 }

 

这个例子中，显然//1和//2处肯定会出现错误提示的。在此我们可以使用反证法来进行说明。

假设Box<Number>在逻辑上可以视为Box<Integer>的父类，那么//1和//2处将不会有错误提示了，那么问题就出来了，通过getData()方法取出数据时到底是什么类型呢？Integer? Float? 还是Number？且由于在编程过程中的顺序不可控性，导致在必要的时候必须要进行类型判断，且进行强制类型转换。显然，这与泛型的理念矛盾，因此，在逻辑上Box<Number>不能视为Box<Integer>的父类。

好，那我们回过头来继续看“类型通配符”中的第一个例子，我们知道其具体的错误提示的深层次原因了。那么如何解决呢？总部能再定义一个新的函数吧。这和Java中的多态理念显然是违背的，因此，我们需要一个在逻辑上可以用来表示同时是Box<Integer>和Box<Number>的父类的一个引用类型，由此，类型通配符应运而生。

类型通配符一般是使用 ? 代替具体的类型实参。注意了，此处是类型实参，而不是类型形参！且Box<?>在逻辑上是Box<Integer>、Box<Number>...等所有Box<具体类型实参>的父类。由此，我们依然可以定义泛型方法，来完成此类需求。

public class GenericTest {
  
      public static void main(String[] args) {
  
         Box<String> name = new Box<String>("corn");
         Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
         Box<Number> number = new Box<Number>(314);
  
         getData(name);
         getData(age);
         getData(number);
     }
 
     public static void getData(Box<?> data) {
         System.out.println("data :" + data.getData());
     }
 
 }

 

有时候，我们还可能听到类型通配符上限和类型通配符下限。具体有是怎么样的呢？

在上面的例子中，如果需要定义一个功能类似于getData()的方法，但对类型实参又有进一步的限制：只能是Number类及其子类。此时，需要用到类型通配符上限。

public class GenericTest {
  
      public static void main(String[] args) {
  
         Box<String> name = new Box<String>("corn");
         Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
         Box<Number> number = new Box<Number>(314);
  
         getData(name);
         getData(age);
         getData(number);
         
         //getUpperNumberData(name); // 1
         getUpperNumberData(age);    // 2
         getUpperNumberData(number); // 3
     }
 
     public static void getData(Box<?> data) {
         System.out.println("data :" + data.getData());
     }

     public static void getUpperNumberData(Box<? extends Number> data){
         System.out.println("data :" + data.getData());
     }
 }

 

此时，显然，在代码//1处调用将出现错误提示，而//2 //3处调用正常。

类型通配符上限通过形如Box<? extends Number>形式定义，相对应的，类型通配符下限为Box<? super Number>形式，其含义与类型通配符上限正好相反，在此不作过多阐述了。

五.面试题

1. Java中的泛型是什么 ? 使用泛型的好处是什么?
泛型是一种参数化类型的机制。它可以使得代码适用于各种类型，从而编写更加通用的代码，例如集合框架。

泛型是一种编译时类型确认机制。它提供了编译期的类型安全，确保在泛型类型（通常为泛型集合）上只能使用正确类型的对象，避免了在运行时出现ClassCastException。

2、Java的泛型是如何工作的 ? 什么是类型擦除 ?
泛型的正常工作是依赖编译器在编译源码的时候，先进行类型检查，然后进行类型擦除并且在类型参数出现的地方插入强制转换的相关指令实现的。

编译器在编译时擦除了所有类型相关的信息，所以在运行时不存在任何类型相关的信息。例如List<String>在运行时仅用一个List类型来表示。为什么要进行擦除呢？这是为了避免类型膨胀。

3. 什么是泛型中的限定通配符和非限定通配符 ?
限定通配符对类型进行了限制。有两种限定通配符，一种是<? extends T>它通过确保类型必须是T的子类来设定类型的上界，另一种是<? super T>它通过确保类型必须是T的父类来设定类型的下界。泛型类型必须用限定内的类型来进行初始化，否则会导致编译错误。另一方面<?>表示了非限定通配符，因为<?>可以用任意类型来替代。

4. List<? extends T>和List <? super T>之间有什么区别 ?
这和上一个面试题有联系，有时面试官会用这个问题来评估你对泛型的理解，而不是直接问你什么是限定通配符和非限定通配符。这两个List的声明都是限定通配符的例子，List<? extends T>可以接受任何继承自T的类型的List，而List<? super T>可以接受任何T的父类构成的List。例如List<? extends Number>可以接受List<Integer>或List<Float>。在本段出现的连接中可以找到更多信息。

5. Java中List<Object>和原始类型List之间的区别?
原始类型和带参数类型<Object>之间的主要区别是，在编译时编译器不会对原始类型进行类型安全检查，却会对带参数的类型进行检查。

相同之处：通过使用Object作为类型和原始类型，在使用add方法的时候可以接受任何类型的对象，比如String或Integer。

区别之处：你可以把任何带参数的泛型类型传递给接受原始类型List的方法，但却不能把List<String>传递给接受List<Object>的方法，因为会产生编译错误。

List<String> lString = new ArrayList<>();//String类型
List list = new ArrayList<>();//原始类型
list = lString;//String赋值给原始类型编译正确


List<Object> lObject = new ArrayList<>();//Object类型
lObject = lString;//String赋值给Object编译错误

6、Java中List<?>和List<Object>之间的区别是什么?
这道题跟上一道题看起来很像，实质上却完全不同。List<?> 是一个未知类型的List，而List<Object>其实是任意类型的List。你可以把List<String>, List<Integer>赋值给List<?>，却不能把List<String>赋值给List<Object>。