Java中的泛型

Java语言高级特性前言:

java知识是作为Android开发的语言基础，虽然现在我们已经推出了kotlin，但是基于以下原因我们还是需要好好牢牢掌握java：
1）SDK还是改成java，kotlin也需要编译成为java运行；
2）目前大量的第三方库和继承与前任的代码都是java所写的；
3）Java语言应用不仅仅在Android，就是在后台开发中也是一个最流行的语言；

1、为什么我们需要泛型？
eg1:
public class Add {
    public int add(int a,int b){

        return a+b;
    }

    public float add(float a,float b){

        return a+b;
    }

    public double add(double a,double b){

        return a+b;
    }

    public float add(int a,float b){

        return a+b;
    }

    //TODO ... 等等数据类型组合
}

实际开发中，经常有数值类型求和的需求，例如实现int类型的加法, 有时候还需要实现long类型的求和, 如果还需要double类型的求和，需要重新在重载一个输入是double类型的add方法。 虽然可以进行方法重载可以解决，但是你不觉得麻烦嘛？

eg2:
public class ExampleUnitTest {
    @Test
    public void addition_isCorrect() {

        List list = new ArrayList();

        list.add("123");
        list.add(123);

        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            String element = (String) list.get(i);
            System.out.println(element);
        }
    }
}
输出结果：
123

java.lang.ClassCastException: java.lang.Integer cannot be cast to java.lang.String

    at com.jzsk.javaadvancetest.ExampleUnitTest.addition_isCorrect(ExampleUnitTest.java:25)

定义了一个List类型的集合，先向其中加入了一个字符串类型的值，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，很容易出现类似于上述中的错误。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，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。
所以泛型的好处就是：

适用于多种数据类型执行相同的代码
泛型中的类型在使用时指定，不需要强制类型转换

泛型类和泛型接口
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）。
泛型的本质：

是为了参数化类型（在不创建新的类型的情况下，通过泛型指定的不同类型来控制形参具体限制的类型）。也就是说在泛型使用过程中，操作的数据类型被指定为一个参数，这种参数类型可以用在类、接口和方法中，分别被称为泛型类、泛型接口、泛型方法。

2、泛型类、泛型接口、泛型方法
泛型类

引入一个类型变量T（其他大写字母都可以，不过常用的就是T，E，K，V等等），并且用<>括起来，并放在类名的后面。泛型类是允许有多个类型变量的。

public class GenericClass<T> {
    private T data;
    public GenericClass(T data) {
        this.data = data;
    }
    
}

public class GenericClass<T,V> {
    private T data;
    private V value;
    public GenericClass(T data, V value) {
        this.data = data;
        this.value = value;
    }
}
泛型接口
public interface GenericInterface<T> {
    
    T getData();

}
泛型接口的实现：

1、未传入泛型实参时：

public class GenericInterfaceImpl<T> implements GenericInterface<T> {
    @Override
    public T getData() {
        return null;
    }
}

2、传入泛型实参

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        
        
        GenericInterface<String> genericInterface = new GenericInterface<String>() {
            @Override
            public String getData() {
                return null;
            }
        };
        
    }
}
泛型方法:注意有<T>才是泛型方法
public class GenericMethod {
    public <T> T getValue(T t){
        return t;
    }
}

泛型方法，是在调用方法的时候指明泛型的具体类型 ，泛型方法可以在任何地方和任何场景中使用，包括普通类和泛型类。注意泛型类中定义的普通方法和泛型方法的区别。

普通方法：

public GenericClass(T data, T value) {
       this.data = data;
       this.value = value;
   }

泛型方法：

public <T> T getValue(T t){
        return t;
    }

public <T> void setValue(T t){
     //TODO do something
    }
限定类型变量
public static <T> T min (T a,T b){
       return a.compareTo(b)>0?a:b;
   }

这样写存在问题：有时候，我们需要对类型变量加以约束，比如计算两个变量的最小，最大值。请问，如果确保传入的两个变量一定有compareTo方法？那么解决这个问题的方案就是将T限制为实现了接口Comparable的类

public static <T extends Comparable> T min (T a,T b){
       return a.compareTo(b)>0?a:b;
   }

T extends Comparable中
T表示应该绑定类型的子类型，Comparable表示绑定类型，子类型和绑定类型可以是类也可以是接口。
如果这个时候，我们试图传入一个没有实现接口Comparable的类的实例，将会发生编译错误。


image.png

因为Add对象并没有实现Comparable接口，不满足条件，所以报错。

同时extends左右都允许有多个，如 T,V extends Comparable & Serializable
注意限定类型中，只允许有一个类，而且如果有类，这个类必须是限定列表的第一个。
这种类的限定既可以用在泛型方法上也可以用在泛型类上。

3、泛型中的约束和局限性

1、不能用基本类型实例化类型参数

//error:type argument can not be of primitive type
GenericClass<int,int> genericClassint = new GenericClass<>(1,2);
//ok
GenericClass<Integer,Integer> genericClassInt = new GenericClass<>(1,2);

2、运行时类型查询只适用于原始类型

//error:lllegal generic type for instanceof
if (genericClassInt instanceof GenericClass<Integer,Integer>){

}

//error:Cannot resolve symbol 'T'
if (genericClassInt instanceof GenericClass<T,T>){

}

3、泛型类的静态上下文中类型变量失效
不能在静态域或方法中引用类型变量。因为泛型是要在对象创建的时候才知道是什么类型的，而对象创建的代码执行先后顺序是static的部分，然后才是构造函数等等。所以在对象初始化之前static的部分已经执行了，如果你在静态部分引用的泛型，那么毫无疑问虚拟机根本不知道是什么东西，因为这个时候类还没有初始化。
例外：如果该方法本身就是泛型方法就可以

4、不能创建参数化类型的数组

//ok
GenericClass<Integer> [] genericClasses;
//error
GenericClass<Integer> [] genericClasses1 = new GenericClass<Integer>[10];
4、泛型类型的继承规则
//父类
public class Person {
    //TODO 
}

// 子类
public class Man extends Person { {
    //TODO 
}

public class Worker<T> {
    private T t;
    public Worker(T t) {
        this.t = t;
    }
}

请问Worker <Person>和Worker <Man>是继承关系吗？
答案：不是，他们之间没有什么关系

Person person = new Man();
//error:incompatible types.
Man man = new Person();
//error:expression expected
Worker<Person> worker = new Worker<>(Man);
5、通配符类型

？ extends X 表示类型的上界，类型参数是X的子类
？ super X 表示类型的下界，类型参数是X的超类
这两种 方式从名字上来看，特别是super，很有迷惑性，下面我们来仔细辨析这两种方法：
1、？ extends X
表示传递给方法的参数，必须是X的子类（包括X本身）
但是对泛型类GenericClass来说，如果其中提供了get和set类型参数变量的方法的话，set方法是不允许被调用的，会出现编译错误。
get方法则没问题，会返回一个父类类型的值。
为何？
道理很简单，？ extends X 表示类型的上界，类型参数是X的子类，那么可以肯定的说，get方法返回的一定是个X（不管是X或者X的子类）编译器是可以确定知道的。但是set方法只知道传入的是个X，至于具体是X的那个子类，不知道。
总结：主要用于安全地访问数据，可以访问X及其子类型，并且不能写入非null的数据。
2、？ super X
表示传递给方法的参数，必须是X的超类（包括X本身）
但是对泛型类GenericType来说，如果其中提供了get和set类型参数变量的方法的话，set方法可以被调用的，且能传入的参数只能是X或者X的超类
get方法只会返回一个Object类型的值。
为何？
？ super X 表示类型的下界，类型参数是X的超类（包括X本身），那么可以肯定的说，get方法返回的一定是个X的超类，那么到底是哪个超类？不知道，但是可以肯定的说，Object一定是它的超类，所以get方法返回Object。编译器是可以确定知道的。对于set方法来说，编译器不知道它需要的确切类型，但是X和X的子类可以安全的转型为X。
总结：主要用于安全地写入数据，可以写入X及其超类型。

6、无限定的通配符 ?

表示对类型没有什么限制，可以把？看成所有类型的父类，如Worker< ?>；
比如：
ArrayList<T> al=new ArrayList<T>(); 指定集合元素只能是T类型
ArrayList<?> al=new ArrayList<?>();集合元素可以是任意类型，这种没有意义，一般是方法中，只是为了说明用法。
在使用上：
？ getFirst() ： 返回值只能赋给 Object；
void setFirst(?) ： setFirst 方法不能被调用， 甚至不能用 Object 调用；

7、虚拟机是如何实现泛型的？

泛型思想早在C++语言的模板（Template）中就开始生根发芽，在Java语言处于还没有出现泛型的版本时，只能通过Object是所有类型的父类和类型强制转换两个特点的配合来实现类型泛化。，由于Java语言里面所有的类型都继承于java.lang.Object，所以Object转型成任何对象都是有可能的。但是也因为有无限的可能性，就只有程序员和运行期的虚拟机才知道这个Object到底是个什么类型的对象。在编译期间，编译器无法检查这个Object的强制转型是否成功，如果仅仅依赖程序员去保障这项操作的正确性，许多ClassCastException的风险就会转嫁到程序运行期之中。

泛型技术在C#和Java之中的使用方式看似相同，但实现上却有着根本性的分歧，C#里面泛型无论在程序源码中、编译后的IL中（Intermediate Language，中间语言，这时候泛型是一个占位符），或是运行期的CLR中，都是切实存在的，List＜int＞与List＜String＞就是两个不同的类型，它们在系统运行期生成，有自己的虚方法表和类型数据，这种实现称为类型膨胀，基于这种方法实现的泛型称为真实泛型。

Java语言中的泛型则不一样，它只在程序源码中存在，在编译后的字节码文件中，就已经替换为原来的原生类型（Raw Type，也称为裸类型）了，并且在相应的地方插入了强制转型代码，因此，对于运行期的Java语言来说，ArrayList＜int＞与ArrayList＜String＞就是同一个类，所以泛型技术实际上是Java语言的一颗语法糖，Java语言中的泛型实现方法称为类型擦除，基于这种方法实现的泛型称为伪泛型。

将一段Java代码编译成Class文件，然后再用字节码反编译工具进行反编译后，将会发现泛型都不见了，程序又变回了Java泛型出现之前的写法，泛型类型都变回了原生类型

image.png

上面这段代码是不能被编译的，因为参数List＜Integer＞和List＜String＞编译之后都被擦除了，变成了一样的原生类型List＜E＞，擦除动作导致这两种方法的特征签名变得一模一样。

由于Java泛型的引入，各种场景（虚拟机解析、反射等）下的方法调用都可能对原有的基础产生影响和新的需求，如在泛型类中如何获取传入的参数化类型等。因此，JCP组织对虚拟机规范做出了相应的修改，引入了诸如Signature、LocalVariableTypeTable等新的属性用于解决伴随泛型而来的参数类型的识别问题，Signature是其中最重要的一项属性，它的作用就是存储一个方法在字节码层面的特征签名[3]，这个属性中保存的参数类型并不是原生类型，而是包括了参数化类型的信息。修改后的虚拟机规范要求所有能识别49.0以上版本的Class文件的虚拟机都要能正确地识别Signature参数。

另外，从Signature属性的出现我们还可以得出结论，擦除法所谓的擦除，仅仅是对方法的Code属性中的字节码进行擦除，实际上元数据中还是保留了泛型信息，这也是我们能通过反射手段取得参数化类型的根本依据。

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