2.6　泛型

泛型通過(guò)在編譯時(shí)檢測(cè)到更多的代碼Bug，從而使你的代碼更加穩(wěn)定。

2.6.1　泛型的作用

概括地說(shuō)，泛型支持類(lèi)型（類(lèi)和接口）在定義類(lèi)、接口和方法時(shí)可以作為參數(shù)。就像在方法聲明中使用的形式參數(shù)一樣，類(lèi)型參數(shù)提供了一種輸入可以不同但代碼可以重用的方式。所不同的是，形式參數(shù)的輸入是值，類(lèi)型參數(shù)輸入的是類(lèi)型。

使用泛型對(duì)比非泛型代碼有很多好處：

1．在編譯時(shí)更強(qiáng)的類(lèi)型檢查

如果代碼違反了類(lèi)型安全，Java編譯器將針對(duì)泛型和問(wèn)題錯(cuò)誤采用強(qiáng)大的類(lèi)型檢查。修正編譯時(shí)的錯(cuò)誤比修正運(yùn)行時(shí)的錯(cuò)誤更加容易。

2．消除了強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換

沒(méi)有泛型的代碼片需要強(qiáng)制轉(zhuǎn)化，比如：

當(dāng)重新編寫(xiě)使用泛型時(shí)，代碼不需要強(qiáng)轉(zhuǎn)：

3．使編程人員能夠?qū)崿F(xiàn)通用算法

通過(guò)使用泛型，程序員可以實(shí)現(xiàn)工作在不同類(lèi)型集合的通用算法，并且可定制、類(lèi)型安全、易于閱讀。

2.6.2　泛型類(lèi)型

泛型類(lèi)型是參數(shù)化類(lèi)型的泛型類(lèi)或接口。下面通過(guò)一個(gè)Box類(lèi)的例子來(lái)說(shuō)明這個(gè)概念。

1．一個(gè)簡(jiǎn)單的Box類(lèi)

觀察下面的例子：

它的方法接受或返回一個(gè)Object，你可以自由地傳入任何你想要的類(lèi)型，只要它不是原始的類(lèi)型之一即可。在編譯時(shí)，沒(méi)有辦法驗(yàn)證如何使用這個(gè)類(lèi)。代碼的一部分可以設(shè)置Integer并期望得到Integer ，而代碼的另一部分可能會(huì)由于錯(cuò)誤地傳遞一個(gè)String而導(dǎo)致運(yùn)行錯(cuò)誤。

2．一個(gè)泛型版本的Box類(lèi)

泛型類(lèi)定義語(yǔ)法如下：

類(lèi)型參數(shù)部分用<>包裹，制定了類(lèi)型參數(shù)（或稱(chēng)為類(lèi)型變量）T1、T2、…、Tn。

下面是泛型版本代碼的例子：

可以看到，所有的Object都被T代替了。類(lèi)型變量可以是非基本類(lèi)型的任意類(lèi)型，即任意的類(lèi)、接口、數(shù)組或其他類(lèi)型變量。

這個(gè)技術(shù)同樣適用于泛型接口的創(chuàng)建。

3．類(lèi)型參數(shù)命名規(guī)范

按照慣例，類(lèi)型參數(shù)名稱(chēng)是單個(gè)大寫(xiě)字母，用來(lái)區(qū)別普通的類(lèi)或接口名稱(chēng)。常用的類(lèi)型參數(shù)名稱(chēng)如下：

·　E：元素，主要由Java集合（Collections）框架使用。

·　K：鍵，主要用于表示映射中的鍵的參數(shù)類(lèi)型。

·　V：值，主要用于表示映射中的值的參數(shù)類(lèi)型。

·　N：數(shù)字，主要用于表示數(shù)字。

·　T：類(lèi)型，主要用于表示第一類(lèi)通用型參數(shù)。

·　S：類(lèi)型，主要用于表示第二類(lèi)通用類(lèi)型參數(shù)。

·　U：類(lèi)型，主要用于表示第三類(lèi)通用類(lèi)型參數(shù)。

·　V：類(lèi)型，主要用于表示第四類(lèi)通用類(lèi)型參數(shù)。

4．調(diào)用和實(shí)例化一個(gè)泛型

從代碼中引用泛型Box類(lèi)，必須執(zhí)行一個(gè)泛型調(diào)用，用具體的值（比如Integer）取代T：

   Box<Integer> integerBox;

泛型調(diào)用與普通的方法調(diào)用類(lèi)似，所不同的是傳遞參數(shù)是類(lèi)型參數(shù)，在本例中就是傳遞Integer到Box類(lèi)。

與其他變量聲明類(lèi)似，代碼實(shí)際上沒(méi)有創(chuàng)建一個(gè)新的Box對(duì)象。它只是聲明integerBox在讀到Box<Integer>時(shí)，保存一個(gè)“Integer的Box”的引用。

泛型的調(diào)用通常被稱(chēng)為一個(gè)參數(shù)化類(lèi)型。

實(shí)例化類(lèi)，使用new關(guān)鍵字：

5．菱形（Diamond）

從Java SE 7開(kāi)始，泛型可以使用空的類(lèi)型參數(shù)集<>，只要編譯器能夠確定或推斷該類(lèi)型參數(shù)所需的類(lèi)型參數(shù)即可。這對(duì)尖括號(hào)<>被非正式地稱(chēng)為“菱形（Diamond）”，例如：

6．多類(lèi)型參數(shù)

下面是一個(gè)泛型Pair接口和一個(gè)泛型OrderedPair：

創(chuàng)建兩個(gè)OrderedPair實(shí)例：

在代碼“new OrderedPair<String, Integer>”中，實(shí)例K作為一個(gè)String、V作為一個(gè)Integer。因此，OrderedPair構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)類(lèi)型是String和Integer。由于有自動(dòng)裝箱機(jī)制，因此可以有效地傳遞一個(gè)String和int到這個(gè)類(lèi)。

可以使用菱形（diamond）來(lái)簡(jiǎn)化代碼：

7．參數(shù)化類(lèi)型

也可以用參數(shù)化類(lèi)型（例如，List<String>的）來(lái)替換類(lèi)型參數(shù)（即K或V）。例如，使用OrderedPair<K，V>：

8．原生類(lèi)型

原生類(lèi)型是沒(méi)有類(lèi)型參數(shù)的泛型類(lèi)和泛型接口，如泛型Box類(lèi)：

要?jiǎng)?chuàng)建參數(shù)化類(lèi)型的Box<T>，需要為形式類(lèi)型參數(shù)T提供實(shí)際的類(lèi)型參數(shù)：

如果想省略實(shí)際的類(lèi)型參數(shù)，就需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Box<T>的原生類(lèi)型：

因此，Box是泛型Box<T>的原生類(lèi)型。但是，非泛型的類(lèi)或接口類(lèi)型不是原始類(lèi)型。

JDK為了保證向后兼容，允許將參數(shù)化類(lèi)型分配給原始類(lèi)型：

如果將原始類(lèi)型與參數(shù)化類(lèi)型進(jìn)行管理，就會(huì)得到警告：

如果使用原始類(lèi)型調(diào)用相應(yīng)泛型類(lèi)型中定義的泛型方法，也會(huì)收到警告：

警告顯示原始類(lèi)型繞過(guò)泛型類(lèi)型檢查，將不安全代碼的捕獲推遲到運(yùn)行時(shí)。因此，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)該避免使用原始類(lèi)型。

2.6.3　泛型方法

泛型方法是引入其自己的類(lèi)型參數(shù)的方法。這類(lèi)似于聲明泛型類(lèi)型，但類(lèi)型參數(shù)的范圍僅限于聲明它的方法。允許使用靜態(tài)和非靜態(tài)泛型方法以及泛型類(lèi)構(gòu)造函數(shù)。

泛型方法的語(yǔ)法包括一個(gè)類(lèi)型參數(shù)列表，在尖括號(hào)內(nèi)，它出現(xiàn)在方法的返回類(lèi)型之前。對(duì)于靜態(tài)泛型方法，類(lèi)型參數(shù)部分必須出現(xiàn)在方法的返回類(lèi)型之前。

在下面的例子中，Util類(lèi)包含一個(gè)泛型方法compare，用于比較兩個(gè)Pair對(duì)象：

compare方法的調(diào)用方式如下：

其中，compare方法的類(lèi)型通?？梢允÷?，因?yàn)榫幾g器將推斷所需的類(lèi)型：

2.6.4　有界類(lèi)型參數(shù)

有時(shí)可能希望限制可在參數(shù)化類(lèi)型中用作類(lèi)型參數(shù)的類(lèi)型。例如，對(duì)數(shù)字進(jìn)行操作的方法可能只想接受Number或其子類(lèi)的實(shí)例。這時(shí)就需要用到有界類(lèi)型參數(shù)。

1．聲明有界類(lèi)型參數(shù)

要聲明有界類(lèi)型參數(shù)，先要列出類(lèi)型參數(shù)的名稱(chēng)，然后是extends關(guān)鍵字，后面跟著它的上限，比如下面例子中的Number：

上面的代碼將會(huì)編譯失敗，報(bào)錯(cuò)如下：

除了限制可用于實(shí)例化泛型類(lèi)型的類(lèi)型之外，有界類(lèi)型參數(shù)還允許調(diào)用邊界中定義的方法：

在上面的例子中，isEven方法通過(guò)n調(diào)用Integer類(lèi)中定義的intValue方法。

2．多個(gè)邊界

前面的示例說(shuō)明了使用帶有單個(gè)邊界的類(lèi)型參數(shù)，但是類(lèi)型參數(shù)其實(shí)是可以有多個(gè)邊界的：

具有多個(gè)邊界的類(lèi)型變量是綁定中列出的所有類(lèi)型的子類(lèi)型。如果其中一個(gè)邊界是類(lèi)，就必須首先指定它。例如：

如果未首先指定綁定A，就會(huì)出現(xiàn)編譯時(shí)錯(cuò)誤：

2.6.5　泛型的繼承和子類(lèi)型

在Java中，只要類(lèi)型兼容就可以將一種類(lèi)型的對(duì)象分配給另一種類(lèi)型的對(duì)象。例如，可以將Integer分配給Object，因?yàn)镺bject是Integer的超類(lèi)之一：

在面向?qū)ο蟮男g(shù)語(yǔ)中，這種關(guān)系被稱(chēng)為“is-a”。由于Integer是一種Object，因此允許賦值。但是Integer同時(shí)也是一種Number，所以下面的代碼也是有效的：

在泛型中也是如此?？梢詧?zhí)行泛型類(lèi)型調(diào)用，將Number作為其類(lèi)型參數(shù)傳遞。如果參數(shù)與Number兼容，就允許任何后續(xù)的add調(diào)用：

現(xiàn)在考慮下面的方法：

通過(guò)查看其簽名，可以看到上述方法接受一個(gè)類(lèi)型為Box<Number>的參數(shù)。也許你可能會(huì)想當(dāng)然地認(rèn)為這個(gè)方法也能接收Box<Integer>或Box<Double>，答案是否定的，因?yàn)锽ox<Integer>和Box<Double>并不是Box<Number>的子類(lèi)型。在使用泛型編程時(shí)，這是一個(gè)常見(jiàn)的誤解，雖然Integer和Double是Number的子類(lèi)型。

圖2-4展示了泛型和子類(lèi)型之間的關(guān)系。

圖2-4　泛型和子類(lèi)型之間的關(guān)系

可以通過(guò)擴(kuò)展或?qū)崿F(xiàn)泛型類(lèi)或接口來(lái)對(duì)其進(jìn)行子類(lèi)型化。一個(gè)類(lèi)或接口的類(lèi)型參數(shù)與另一個(gè)類(lèi)或參數(shù)的類(lèi)型參數(shù)之間的關(guān)系由extends和implements子句確定。

以Collections類(lèi)為例，ArrayList<E>實(shí)現(xiàn)了List<E>，而List<E>擴(kuò)展了Collection<E>，所以ArrayList<String>是List<String>的子類(lèi)型，同時(shí)它也是Collection<String>的子類(lèi)型。只要不改變類(lèi)型參數(shù)，就會(huì)在類(lèi)型之間保留子類(lèi)型關(guān)系。圖2-5展示了這些類(lèi)的層次關(guān)系。

圖2-5　泛型類(lèi)及子類(lèi)

現(xiàn)在假設(shè)我們想要定義自己的列表接口PayloadList，它將泛型類(lèi)型P的可選值與每個(gè)元素相關(guān)聯(lián)。它的聲明可能如下：

以下是PayloadList參數(shù)化的List<String>的子類(lèi)型：

·　PayloadList<String,String>

·　PayloadList<String,Integer>

·　PayloadList<String,Exception>

這些類(lèi)的關(guān)系圖如圖2-6所示。

圖2-6　泛型類(lèi)及子類(lèi)之間的關(guān)系

2.6.6　通配符

通配符（?）通常用于表示未知類(lèi)型。通配符可用于各種情況：

·　作為參數(shù)、字段或局部變量的類(lèi)型。

·　作為返回類(lèi)型。

在泛型中，通配符不用于泛型方法調(diào)用，泛型類(lèi)實(shí)例創(chuàng)建或超類(lèi)型的類(lèi)型參數(shù)。

1．上限有界通配符

可以使用上限通配符來(lái)放寬對(duì)變量的限制。例如，要編寫(xiě)一個(gè)適用于List<Integer>、List<Double>和List<Number>的方法，可以通過(guò)使用上限有界通配符來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。比如下面的例子：

可以指定為Integer類(lèi)型：

   List<Integer> li = Arrays.asList(1, 2, 3);
   System.out.println("sum = " + sumOfList(li));

輸出結(jié)果為：

   sum = 6.0

可以指定為Double類(lèi)型：

   List<Double> ld = Arrays.asList(1.2, 2.3, 3.5);
   System.out.println("sum = " + sumOfList(ld));

輸出結(jié)果為：

   sum = 7.0

2．無(wú)界通配符

無(wú)界通配符類(lèi)型通常用于定義未知類(lèi)型，比如List<?>。

無(wú)界通配符通常有兩種典型的用法。

第一種是使用Object類(lèi)中提供的功能實(shí)現(xiàn)的方法?？紤]以下方法printList：

printList只能打印一個(gè)Object實(shí)例列表，不能打印List<Integer>、List<String>、List<Double>等，因?yàn)樗鼈儾皇荓ist<Object>的子類(lèi)型。

第二種是當(dāng)代碼使用泛型類(lèi)中不依賴(lài)于類(lèi)型參數(shù)的方法。例如List.size或List.clear。實(shí)際上，經(jīng)常使用Class<?>，因?yàn)镃lass<T>中的大多數(shù)方法都不依賴(lài)于T。比如下面的例子：

因?yàn)長(zhǎng)ist<A>是List<?>的子類(lèi)，所以可以打印出任何類(lèi)型：

   List<Integer> li = Arrays.asList(1, 2, 3);
   List<String>  ls = Arrays.asList("one", "two", "three");
   printList(li);
   printList(ls);

因此，要區(qū)分場(chǎng)景來(lái)選擇使用List<Object>或是List<?>。如果想插入一個(gè)Object或者是任意Object的子類(lèi)，就可以使用List<Object>，但只能在List<?>中插入null。

3．下限有界通配符

下限有界通配符將未知類(lèi)型限制為該類(lèi)型的特定類(lèi)型或超類(lèi)型。使用下限有界通配符的語(yǔ)法為<? super A>。

假設(shè)要編寫(xiě)一個(gè)將Integer對(duì)象放入列表的方法，為了最大限度地提高靈活性，希望該方法可以處理List<Integer>、List<Number>或者是List<Object>等可以保存Integer值的方法。

比如下面的例子將數(shù)字1到10添加到列表的末尾：

4．通配符及其子類(lèi)

可以使用通配符在泛型類(lèi)或接口之間創(chuàng)建關(guān)系。

給定以下兩個(gè)常規(guī)（非泛型）類(lèi)：

下面的代碼是成立的：

此示例顯示常規(guī)類(lèi)的繼承遵循此子類(lèi)型規(guī)則：如果B擴(kuò)展A，那么類(lèi)B是類(lèi)A的子類(lèi)型。此規(guī)則不適用于泛型類(lèi)型：

圖2-7　List<Integer>和List<Number>之間的關(guān)系

盡管Integer是Number的子類(lèi)型，但是List<Integer>并不是List<Number>的子類(lèi)型。

為了在這些類(lèi)之間創(chuàng)建關(guān)系，以便代碼可以通過(guò)List<Integer>的元素訪問(wèn)Number的方法，需要使用上限有界通配符：

因?yàn)镮nteger是Number的子類(lèi)型，而numList是Number對(duì)象的列表，所以intList（Integer對(duì)象列表）和numList之間存在關(guān)系。圖2-8顯示了使用上限和下限有界通配符聲明的多個(gè)List類(lèi)之間的關(guān)系。

圖2-8　多個(gè)List類(lèi)之間的關(guān)系

2.6.7　類(lèi)型擦除

泛型被引入到Java語(yǔ)言中，以便在編譯時(shí)提供更嚴(yán)格的類(lèi)型檢查并支持泛型編程。為了實(shí)現(xiàn)泛型，Java編譯器將類(lèi)型擦除應(yīng)用于：

·　如果類(lèi)型參數(shù)是無(wú)界的，則用泛型或?qū)ο筇鎿Q泛型類(lèi)型中的所有類(lèi)型參數(shù)。因此，生成的字節(jié)碼僅包含普通的類(lèi)。

·　如有必要，插入類(lèi)型鑄件以保持類(lèi)型安全。

·　生成橋接方法以保留擴(kuò)展泛型類(lèi)型中的多態(tài)性。

類(lèi)型擦除能夠確保不為參數(shù)化類(lèi)型創(chuàng)建新類(lèi)，因此泛型不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行時(shí)開(kāi)銷(xiāo)。

1．擦除泛型類(lèi)型

在類(lèi)型擦除過(guò)程中，Java編譯器將擦除所有的類(lèi)型參數(shù)，并在類(lèi)型參數(shù)有界時(shí)將其替換為第一個(gè)綁定，如果類(lèi)型參數(shù)為無(wú)界，就替換為Object。

考慮以下表示單鏈表中節(jié)點(diǎn)的泛型類(lèi)：

因?yàn)轭?lèi)型參數(shù)T是無(wú)界的，所以Java編譯器將其替換為Object：

在以下示例中，泛型Node類(lèi)使用有界類(lèi)型參數(shù)：

Java編譯器將有界類(lèi)型參數(shù)T替換為第一個(gè)綁定類(lèi)Comparable：

2．擦除泛型方法

Java編譯器還會(huì)擦除泛型方法參數(shù)中的類(lèi)型參數(shù)。請(qǐng)考慮以下泛型方法：

因?yàn)門(mén)是無(wú)界的，所以Java編譯器將會(huì)將它替換為Object：

假設(shè)定義了以下類(lèi)：

可以使用泛型方法繪制不同的圖形：

Java編譯器將會(huì)將T替換為Shape：

2.6.8　使用泛型的一些限制

使用泛型，需要考慮以下一些限制。

1．無(wú)法使用基本類(lèi)型實(shí)例化泛型

請(qǐng)考慮以下參數(shù)化類(lèi)型：

創(chuàng)建Pair對(duì)象時(shí)，不能將基本類(lèi)型替換為類(lèi)型參數(shù)K或V：

只能將非基本類(lèi)型替換為類(lèi)型參數(shù)K和V：

此時(shí)，Java編譯器會(huì)自動(dòng)裝箱，將8轉(zhuǎn)為Integer.valueOf(8)，將'a'轉(zhuǎn)為Character('a')：

2．無(wú)法創(chuàng)建類(lèi)型參數(shù)的實(shí)例

無(wú)法創(chuàng)建類(lèi)型參數(shù)的實(shí)例。例如，以下代碼導(dǎo)致編譯時(shí)錯(cuò)誤：

作為解決方法，可以通過(guò)反射創(chuàng)建類(lèi)型參數(shù)的對(duì)象：

可以按如下方式調(diào)用append方法：

3．無(wú)法聲明類(lèi)型為類(lèi)型參數(shù)的靜態(tài)字段

類(lèi)的靜態(tài)字段是類(lèi)的所有非靜態(tài)對(duì)象共享的類(lèi)級(jí)變量。因此，不允許使用類(lèi)型參數(shù)的靜態(tài)字段。考慮以下類(lèi)：

若允許類(lèi)型參數(shù)的靜態(tài)字段，則以下代碼將混淆：

靜態(tài)字段os由phone、pager、pc共享，那么os的實(shí)際類(lèi)型是什么呢？它不能同時(shí)是Smartphone、Pager或者TabletPC，因此無(wú)法創(chuàng)建類(lèi)型參數(shù)的靜態(tài)字段。

4．無(wú)法使用具有參數(shù)化類(lèi)型的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換或instanceof

因?yàn)镴ava編譯器會(huì)擦除通用代碼中的所有類(lèi)型參數(shù)，所以無(wú)法驗(yàn)證在運(yùn)行時(shí)使用泛型類(lèi)型的參數(shù)化類(lèi)型：

傳遞給rtti方法的參數(shù)化類(lèi)型集是：

   S = { ArrayList<Integer>, ArrayList<String> LinkedList<Character>}

運(yùn)行時(shí)不跟蹤類(lèi)型參數(shù)，因此無(wú)法區(qū)分ArrayList<Integer>和ArrayList<String>，最多是使用無(wú)界通配符來(lái)驗(yàn)證列表是否為ArrayList：

通常，除非通過(guò)無(wú)界通配符進(jìn)行參數(shù)化，否則無(wú)法強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為參數(shù)化類(lèi)型。例如：

在某些情況下，編譯器知道類(lèi)型參數(shù)始終有效并允許強(qiáng)制轉(zhuǎn)換。例如：

   List<String> l1 = ...;
   ArrayList<String> l2 = (ArrayList<String>)l1;  // 正確

5．無(wú)法創(chuàng)建參數(shù)化類(lèi)型的數(shù)組

無(wú)法創(chuàng)建參數(shù)化類(lèi)型的數(shù)組。例如，以下代碼無(wú)法編譯：

以下代碼說(shuō)明將不同類(lèi)型插入到數(shù)組中時(shí)會(huì)發(fā)生什么：

如果使用通用列表嘗試相同的操作，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題：

如果允許參數(shù)化列表數(shù)組，那么前面的代碼將無(wú)法拋出所需的ArrayStoreException。

6．無(wú)法創(chuàng)建、捕獲或拋出參數(shù)化類(lèi)型的對(duì)象

泛型類(lèi)不能直接或間接擴(kuò)展Throwable類(lèi)。例如，以下類(lèi)將無(wú)法編譯：

方法無(wú)法捕獲類(lèi)型參數(shù)的實(shí)例：

但是可以在throws子句中使用類(lèi)型參數(shù)：

7．類(lèi)型擦除到原生類(lèi)型的方法無(wú)法重載

類(lèi)不能有兩個(gè)重載方法，因?yàn)樗鼈冊(cè)陬?lèi)型擦除后具有相同的簽名。觀察下面的例子：

上述例子將產(chǎn)生編譯時(shí)錯(cuò)誤。