简而言之,泛型使类型(类和接口)在定义类,接口和方法时成为参数。类型参数提供了一种简便的方法,使得不同的输入类型可以使用相同的代码。

使用泛型的代码比非泛型代码有如下好处:

  • 在编译时进行更强大的类型检查
  • 消除了强制类型装换
  • 可以让编程人员更加容易实现通用算法

定义

通常情况下,泛型类 (generic class) 可以如下定义

class name<T1, T2, ..., Tn> { /* ... */ }

尖括号中的类型通常称为类型参数( type parameters 或者称为类型变量 type variables),一旦类定义了类型参数T ,该变量就能在类中使用。

Type Parameter 命名约定

按照惯例, type parameters 的名字都是单一的大写字母,通常和普通的命令规范 区别开来。

经常被使用的泛型变量有:

  • E for Element 被 Java Collections 框架广泛使用
  • K for Key
  • N for Number
  • T for Type
  • V for Value
  • S,U,V etc - 2nd, 3rd, 4th types

调用和实例化泛型类型

泛型的调用其实非常简单,只需要将类型参数替换为具体的类型即可,比如

List<String> list;

Type Parameter 和 Type Argument 术语:大部分情况下这两个术语是可以互换的,但他们的使用场景是不一样的。因此 Foo<T> 中的 T 是 type Parameter,而 Foo 中的 String 是 type argument.

泛型方法

对于静态泛型方法(static generic method), type parameter 定于的区域需要出现在返回值的前面

public static <K, V> boolean compare(Pair<K, V> p1, Pair<K, V> p2) {...}

调用该方法的完整的方式

boolean same = Util.<Integer, String>compare(p1, p2);
// or
boolean same = Util.compare(p1, p2);

有界类型参数

总有一种情况,编程人员想要限制泛型的类型,比如一个操作数字的类或者方法,可能希望泛型只接受 Number 或者其子类的实例。

定义上界,比如<E extends Comparable> 在这个例子中,表示定义的泛型需要实现 Comparable 接口,这里的 extends 只是通用表示 extends (Class) 或者 implements (interfaces)

如果要定义多个界

<T extends B1 & B2 & B3>

在定义多个届时,需要将 Class 类型放到 interface 之前,比如说上面的例子中假如有 Class B2, interface B1 & B3 ,那么 B2 必须是第一个。

通配符 #{wildcards}

在代码中也经常能看到 ? 问号,通常叫做通配符(wildcard),表示是类型未知。通配符可以用在非常多的场景,作为参数,field,或者本地变量,有时候也作为返回值(当然不推荐这么做)。

Upper Bounded Wildcards

public static void process(List<? extends Foo> list) { /* ... */ }

upper bounded wildcard,List<? extends Foo> 其中 Foo 是类型,表示 Foo 和任何子类。

Unbounded Wildcards

无界通配符类型(upper bounded wildcard),通常表示的单纯的使用 ,比如 List<?>,表示的是一个不知道类型的 list。有两种常用的使用场景

  • 当写方法只需要 Object 类中的方法时
  • 在泛型类中定义的方法不依赖于 type parameter 时,比如 List.size() 或者 List.clear ,并不依赖于定义的泛型类型

举一个官方文档中的例子,假设有如下的方法

public static void printList(List<Object> list) {
    for (Object elem : list)
        System.out.println(elem + " ");
    System.out.println();
}

本意上是想要实现打印一个任何类型的列表,但是并不能达到目的,他并不能打印 List<Integer>, List<String> 等,因为他们并不是 List<Object> 的子类型,如果要实现通用的 printList 方法需要使用 List<?>

public static void printList(List<?> list) {
    for (Object elem: list)
        System.out.print(elem + " ");
    System.out.println();
}

这个时候 List<Integer> 才是 List<?> 的子类型。

Lower Bounded Wildcards

类型的上界使用 extends,相同的,如果要表示类型的下界,则使用 super,比如 <? super A> 。需要注意的是,对于通配符 ? 可以单独指定上界,也可以指定下界,但是两者不能同时指定。

public static void addNumbers(List<? super Integer> list) {
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
        list.add(i);
    }
}

代码可以在 List<Integer>, List<Number>, and List<Object> — anything that can hold Integer values. 上运行。

假设

class A { /* ... */ }
class B extends A { /* ... */ }

都知道 B 是 A 的子类型,所以可以

B b = new B();
A a = b;

所以对于泛型类型呢?

List<B> listB = new ArrayList<>();
List<A> listA = listB;        // 编译错误

List<Number>List<Integer> 都是 List<?> 的子类型,而 List<Number>List<Integer> 这两者并没有任何关系。

为了让两者有关系,就需要用多泛型的上界,这样

List<? extends Integer> intList = new ArrayList<>();
List<? extends Number>  numList = intList;  // OK. List<? extends Integer> is a subtype of List<? extends Number>

下面有一张图来表示 List 类型的父子类关系

a hierarchy of several generic list class declarations

类型擦除

泛型被引入到 Java 语言中,以便在编译时提供更严格的类型检查并支持泛型编程。为了实现泛型,Java 编译器使用类型擦除:

  • 如果类型参数是无界的,则将泛型类型中的所有类型参数替换为其边界或对象。因此,生成的字节码仅包含普通的类,接口和方法。
  • 插入类型转换,以保证类型安全
  • 生成桥接方法以保留扩展泛型类型中的多态性

类型擦除确保不为参数化类型创建新类;因此,泛型不会产生运行时开销。

在类型擦除过程中,Java 编译器会擦除所有的 type parameters,如果是有界的类型参数则替换成第一个类型,如果是无界的类型参数则替换为 Object。

Java 编译器还会擦除泛型方法参数中的类型参数。比如静态方法:

// Counts the number of occurrences of elem in anArray.
//
public static <T> int count(T[] anArray, T elem) {
    int cnt = 0;
    for (T e : anArray)
        if (e.equals(elem))
            ++cnt;
        return cnt;
}

因为 T 是无界的,则会把 T 出现的地方全部替换为 Object。和泛型类相同,有界的方法中的类型参数也会替换为第一个类型参数。

泛型的限制

不能使用原始类型来实例化泛型

比如

Pair<int, char> p = new Pair<>(8, 'a');  // compile-time error

会有编译错误。Java 会自动装箱。

无法创建类型参数的实例

比如

public static <E> void append(List<E> list) {
    E elem = new E();  // compile-time error
    list.add(elem);
}

作为解决方案,可以使用反射来创建对象实例

public static <E> void append(List<E> list, Class<E> cls) throws Exception {
    E elem = cls.newInstance();   // OK
    list.add(elem);
}

如下调用

List<String> ls = new ArrayList<>();
append(ls, String.class);

无法申明类型参数为静态

如下是不对的

public class MobileDevice<T> {
    private static T os;

    // ...
}

不能对 parameterized types 进行类型装换和使用 instanceof

因为 Java 编译器会在编译时擦除类型,所以无法验证参数类型在运行时的类型。下面是错误的例子:

public static <E> void rtti(List<E> list) {
    if (list instanceof ArrayList<Integer>) {  // compile-time error
        // ...
    }
}

而对于有界的参数化类型,可以使用

public static void rtti(List<?> list) {
    if (list instanceof ArrayList<?>) {  // OK; instanceof requires a reifiable type
        // ...
    }
}

无法创建参数化类型的数组

不能

List<Integer>[] arrayOfLists = new List<Integer>[2];  // compile-time error

无法创建,捕获或抛出参数化类型的对象

泛型类无法直接或者间接继承 Throwable 。

// Extends Throwable indirectly
class MathException<T> extends Exception { /* ... */ }    // compile-time error

// Extends Throwable directly
class QueueFullException<T> extends Throwable { /* ... */ // compile-time error

但是可以在 throw 语句后使用

class Parser<T extends Exception> {
    public void parse(File file) throws T {     // OK
        // ...
    }
}

不能有重载的方法使用相同的泛型

比如

public class Example {
    public void print(Set<String> strSet) { }
    public void print(Set<Integer> intSet) { }
}

reference