深入理解Java中的泛型

沉默王二2021年10月22日
大约 9 分钟

“二哥,为什么要设计泛型啊?”三妹开门见山地问。

“三妹啊,听哥慢慢给你讲啊。”我说。

Java 在 1.5 时增加了泛型机制,据说专家们为此花费了 5 年左右的时间(听起来很不容易)。有了泛型之后,尤其是对集合类的使用,就变得更规范了。

看下面这段简单的代码。

ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("沉默王二");
String str = list.get(0);

“三妹,你能想象到在没有泛型之前该怎么办吗?”

“嗯,想不到,还是二哥你说吧。”

嗯,我们可以使用 Object 数组来设计 Arraylist 类。

class Arraylist {
    private Object[] objs;
    private int i = 0;
    public void add(Object obj) {
        objs[i++] = obj;
    }
    
    public Object get(int i) {
        return objs[i];
    }
}

然后,我们向 Arraylist 中存取数据。

Arraylist list = new Arraylist();
list.add("沉默王二");
list.add(new Date());
String str = (String)list.get(0);

“三妹,你有没有发现这两个问题?”

  • Arraylist 可以存放任何类型的数据(既可以存字符串,也可以混入日期),因为所有类都继承自 Object 类。
  • 从 Arraylist 取出数据的时候需要强制类型转换,因为编译器并不能确定你取的是字符串还是日期。

“嗯嗯,是的呢。”三妹说。

对比一下,你就能明显地感受到泛型的优秀之处:使用类型参数解决了元素的不确定性——参数类型为 String 的集合中是不允许存放其他类型元素的,取出数据的时候也不需要强制类型转换了。

“二哥,那怎么才能设计一个泛型呢?”

“三妹啊,你一个小白只要会用泛型就行了,还想设计泛型啊?!不过,既然你想了解,那么哥义不容辞。”

首先,我们来按照泛型的标准重新设计一下 Arraylist 类。

class Arraylist<E> {
    private Object[] elementData;
    private int size = 0;

    public Arraylist(int initialCapacity) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }
    
    public boolean add(E e) {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    
    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }
}

一个泛型类就是具有一个或多个类型变量的类。Arraylist 类引入的类型变量为 E(Element,元素的首字母),使用尖括号 <> 括起来,放在类名的后面。

然后,我们可以用具体的类型(比如字符串)替换类型变量来实例化泛型类。

Arraylist<String> list = new Arraylist<String>();
list.add("沉默王三");
String str = list.get(0);

Date 类型也可以的。

Arraylist<Date> list = new Arraylist<Date>();
list.add(new Date());
Date date = list.get(0);

其次,我们还可以在一个非泛型的类(或者泛型类)中定义泛型方法。

class Arraylist<E> {
    public <T> T[] toArray(T[] a) {
        return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
    }
}

不过,说实话,泛型方法的定义看起来略显晦涩。来一副图吧(注意:方法返回类型和方法参数类型至少需要一个)。

现在,我们来调用一下泛型方法。

Arraylist<String> list = new Arraylist<>(4);
list.add("沉");
list.add("默");
list.add("王");
list.add("二");

String [] strs = new String [4];
strs = list.toArray(strs);

for (String str : strs) {
    System.out.println(str);
}

然后,我们再来说说泛型变量的限定符 extends

在解释这个限定符之前,我们假设有三个类,它们之间的定义是这样的。

class Wanglaoer {
    public String toString() {
        return "王老二";
    }
}

class Wanger extends Wanglaoer{
    public String toString() {
        return "王二";
    }
}

class Wangxiaoer extends Wanger{
    public String toString() {
        return "王小二";
    }
}

我们使用限定符 extends 来重新设计一下 Arraylist 类。

class Arraylist<E extends Wanger> {
}

当我们向 Arraylist 中添加 Wanglaoer 元素的时候,编译器会提示错误:Arraylist 只允许添加 Wanger 及其子类 Wangxiaoer 对象,不允许添加其父类 Wanglaoer

Arraylist<Wanger> list = new Arraylist<>(3);
list.add(new Wanger());
list.add(new Wanglaoer());
// The method add(Wanger) in the type Arraylist<Wanger> is not applicable for the arguments 
// (Wanglaoer)
list.add(new Wangxiaoer());

也就是说,限定符 extends 可以缩小泛型的类型范围。

“哦,明白了。”三妹若有所思的点点头,“二哥,听说虚拟机没有泛型?”

“三妹,你功课做得可以啊。哥可以肯定地回答你,虚拟机是没有泛型的。”

“怎么确定虚拟机有没有泛型呢?”三妹问。

“只要我们把泛型类的字节码进行反编译就看到了!”用反编译工具将 class 文件反编译后,我说,“三妹,你看。”

// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3) 
// Source File Name:   Arraylist.java

package com.cmower.java_demo.fanxing;

import java.util.Arrays;

class Arraylist
{

    public Arraylist(int initialCapacity)
    {
        size = 0;
        elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    public boolean add(Object e)
    {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    Object elementData(int index)
    {
        return elementData[index];
    }

    private Object elementData[];
    private int size;
}

类型变量 <E> 消失了,取而代之的是 Object !

“既然如此,那如果泛型类使用了限定符 extends,结果会怎么样呢?”三妹这个问题问的很巧妙。

来看这段代码。

class Arraylist2<E extends Wanger> {
    private Object[] elementData;
    private int size = 0;

    public Arraylist2(int initialCapacity) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    public boolean add(E e) {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }
}

反编译后的结果如下。

// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3) 
// Source File Name:   Arraylist2.java

package com.cmower.java_demo.fanxing;


// Referenced classes of package com.cmower.java_demo.fanxing:
//            Wanger

class Arraylist2
{

    public Arraylist2(int initialCapacity)
    {
        size = 0;
        elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    public boolean add(Wanger e)
    {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    Wanger elementData(int index)
    {
        return (Wanger)elementData[index];
    }

    private Object elementData[];
    private int size;
}

“你看,类型变量 <E extends Wanger> 不见了,E 被替换成了 Wanger”,我说,“通过以上两个例子说明,Java 虚拟机会将泛型的类型变量擦除,并替换为限定类型(没有限定的话,就用 Object)”

“二哥,类型擦除会有什么问题吗?”三妹又问了一个很有水平的问题。

“三妹啊,你还别说,类型擦除真的会有一些问题。”我说,“来看一下这段代码。”

public class Cmower {
    
    public static void method(Arraylist<String> list) {
        System.out.println("Arraylist<String> list");
    }

    public static void method(Arraylist<Date> list) {
        System.out.println("Arraylist<Date> list");
    }

}

在浅层的意识上,我们会想当然地认为 Arraylist<String> listArraylist<Date> list 是两种不同的类型,因为 String 和 Date 是不同的类。

但由于类型擦除的原因,以上代码是不会通过编译的——编译器会提示一个错误(这正是类型擦除引发的那些“问题”):

>Erasure of method method(Arraylist<String>) is the same as another method in type 
 Cmower
>
>Erasure of method method(Arraylist<Date>) is the same as another method in type 
 Cmower

大致的意思就是,这两个方法的参数类型在擦除后是相同的。

也就是说,method(Arraylist<String> list)method(Arraylist<Date> list) 是同一种参数类型的方法,不能同时存在。类型变量 StringDate 在擦除后会自动消失,method 方法的实际参数是 Arraylist list

有句俗话叫做:“百闻不如一见”,但即使见到了也未必为真——泛型的擦除问题就可以很好地佐证这个观点。

“哦,明白了。二哥,听说泛型还有通配符?”

“三妹啊,哥突然觉得你很适合作一枚可爱的程序媛啊!你这预习的功课做得可真到家啊,连通配符都知道!”

通配符使用英文的问号(?)来表示。在我们创建一个泛型对象时,可以使用关键字 extends 限定子类,也可以使用关键字 super 限定父类。

我们来看下面这段代码。

class Arraylist<E> {
    private Object[] elementData;
    private int size = 0;

    public Arraylist(int initialCapacity) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    public boolean add(E e) {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    public E get(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }
    
    public int indexOf(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int i = 0; i < size; i++)
                if (elementData[i]==null)
                    return i;
        } else {
            for (int i = 0; i < size; i++)
                if (o.equals(elementData[i]))
                    return i;
        }
        return -1;
    }
    
    public boolean contains(Object o) {
        return indexOf(o) >= 0;
    }
    
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        
        for (Object o : elementData) {
            if (o != null) {
                E e = (E)o;
                sb.append(e.toString());
                sb.append(',').append(' ');
            }
        }
        return sb.toString();
    }

    public int size() {
        return size;
    }
    
    public E set(int index, E element) {
        E oldValue = (E) elementData[index];
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }
}

1)新增 indexOf(Object o) 方法,判断元素在 Arraylist 中的位置。注意参数为 Object 而不是泛型 E

2)新增 contains(Object o) 方法,判断元素是否在 Arraylist 中。注意参数为 Object 而不是泛型 E

3)新增 toString() 方法,方便对 Arraylist 进行打印。

4)新增 set(int index, E element) 方法,方便对 Arraylist 元素的更改。

因为泛型擦除的原因,Arraylist<Wanger> list = new Arraylist<Wangxiaoer>(); 这样的语句是无法通过编译的,尽管 Wangxiaoer 是 Wanger 的子类。但如果我们确实需要这种 “向上转型” 的关系,该怎么办呢?这时候就需要通配符来发挥作用了。

利用 <? extends Wanger> 形式的通配符,可以实现泛型的向上转型,来看例子。

Arraylist<? extends Wanger> list2 = new Arraylist<>(4);
list2.add(null);
// list2.add(new Wanger());
// list2.add(new Wangxiaoer());

Wanger w2 = list2.get(0);
// Wangxiaoer w3 = list2.get(1);

list2 的类型是 Arraylist<? extends Wanger>,翻译一下就是,list2 是一个 Arraylist,其类型是 Wanger 及其子类。

注意,“关键”来了!list2 并不允许通过 add(E e) 方法向其添加 Wanger 或者 Wangxiaoer 的对象,唯一例外的是 null

“那就奇了怪了,既然不让存放元素,那要 Arraylist<? extends Wanger> 这样的 list2 有什么用呢?”三妹好奇地问。

虽然不能通过 add(E e) 方法往 list2 中添加元素,但可以给它赋值。

Arraylist<Wanger> list = new Arraylist<>(4);

Wanger wanger = new Wanger();
list.add(wanger);

Wangxiaoer wangxiaoer = new Wangxiaoer();
list.add(wangxiaoer);

Arraylist<? extends Wanger> list2 = list;

Wanger w2 = list2.get(1);
System.out.println(w2);

System.out.println(list2.indexOf(wanger));
System.out.println(list2.contains(new Wangxiaoer()));

Arraylist<? extends Wanger> list2 = list; 语句把 list 的值赋予了 list2,此时 list2 == list。由于 list2 不允许往其添加其他元素,所以此时它是安全的——我们可以从容地对 list2 进行 get()indexOf()contains()。想一想,如果可以向 list2 添加元素的话,这 3 个方法反而变得不太安全,它们的值可能就会变。

利用 <? super Wanger> 形式的通配符,可以向 Arraylist 中存入父类是 Wanger 的元素,来看例子。

Arraylist<? super Wanger> list3 = new Arraylist<>(4);
list3.add(new Wanger());
list3.add(new Wangxiaoer());

// Wanger w3 = list3.get(0);

需要注意的是,无法从 Arraylist<? super Wanger> 这样类型的 list3 中取出数据。

“三妹,关于泛型,这里还有一篇很不错的文章,你等会去看一下。”我说。

https://www.pdai.tech/md/java/basic/java-basic-x-generic.htmlopen in new window

“对泛型机制讲的也很透彻,你结合二哥给你讲的这些,再深入的学习一下。”

“好的,二哥。”


最近整理了一份牛逼的学习资料,包括但不限于Java基础部分(JVM、Java集合框架、多线程),还囊括了 数据库、计算机网络、算法与数据结构、设计模式、框架类Spring、Netty、微服务(Dubbo,消息队列) 网关 等等等等……详情戳:可以说是2022年全网最全的学习和找工作的PDF资源了open in new window

关注二哥的原创公众号 沉默王二,回复111 即可免费领取。

Loading...