一文通关苦涩难懂的Java泛型

小编:饿狼 更新时间:2022-08-20

前言

相信大家对Java泛型并不陌生,无论是开源框架还是JDK源码都能看到它,毫不夸张的说,泛型是通用设计上必不可少的元素,所以真正理解与正确使用泛型,是一门必修课,本文将解开大家对泛型的疑惑,并通过大量实践,让你get到泛型正确的使用姿势,下面开始进入正题吧!

大纲

一文通关苦涩难懂的Java泛型

基础

因为本文重实践,而且面对的是Java开发人员群体,大家对泛型都有基础,所以泛型基础这块会快速过,帮助大家回忆下即可,后面主要的则重点是通配符

编译期与运行期

编译期是指把源码交给编译器编译成计算机可执行文件的过程,运行期是指把编译后的文件交给计算机执行,直到程序结束。

在Java中就是把.java文件编译成.class文件,再把编译后的文件交给J V M加载执行,如下图

一文通关苦涩难懂的Java泛型

泛型

泛型又叫“参数化类型”,这么抽象的专业词汇不好理解,阿星就用大白话的形式来解释。

人是铁,饭是刚,吃饭是刚需,要吃饭自然就少不了碗筷,但是没有规定碗只能盛饭,除了盛饭它还能盛汤、盛菜,制造者只造这个碗,不关心碗盛什么,具体要盛什么由使用者来决定,这就是泛型的概念。

泛型就是在定义类、接口、方法的时候指定某一种特定类型(碗),让类、接口、方法的使用者来决定具体用哪一种类型的参数(盛的东西)。

Java的泛型是在1.5引入的,只在编译期做泛型检查,运行期泛型就会消失,我们把这称为“泛型擦除”,最终类型都会变成 Object。

在没有泛型之前,从集合中读取到的每一个对象都必须进行类型转换,如果不小心插入了错误的类型对象,在运行时的转换处理就会出错,有了泛型后,你可以告诉编译器每个集合接收的对象类型是什么,编译器在编译期就会做类型检查,告知是否插入了错误类型的对象,使得程序更加安全,也更加清楚。

最后插一句,泛型擦除与原生态类型(List就是原生态,List非原生态)是为了照顾1.5以前设计上的缺陷,为兼容非泛型代码,所作出的折中策略,所以不推荐使用原生态类型,如果使用了原生态类型,就失去了泛型在安全性与描述性方面的优势。

泛型类

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类上定义泛型,作用于类的成员变量与函数,代码实例如下

public class GenericClass{ //成员变量 private T t; public void function(T t){ } public T functionTwo(T t){ //注意,这个不是泛型方法!!! return t; }}

泛型接口

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接口上定义泛型,作用于函数,代码实例如下

public interface GenericInterface { public T get(); public void set(T t); public T delete(T t); default T defaultFunction(T t){ return t; }}

泛型函数

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函数返回类型旁加上泛型,作用于函数,代码实例如下

public class GenericFunction { public void function(T t) { } public T functionTwo(T t) { return t; } public String functionThree(T t) { return ""; }}

通配符

通配符是为了让Java泛型支持范围限定,这样使得泛型的灵活性提升,同时也让通用性设计有了更多的空间。

  • :无界通配符,即类型不确定,任意类型
  • :上边界通配符,即?是继承自T的任意子类型,遵守只读不写
  • :下边界通配符,即?是T的任意父类型,遵守只写不读

相信大部分人,都是倒在通配符这块,这里多唠叨点,「通配符限定的范围是体现在确认“参数化类型”的时候,而不是“参数化类型”填充后」,可能这句话不太好理解,来看看下面的代码

/** * 1.创建泛型为Number的List类,Integer、Double、Long等都是Number的子类 * new ArrayList<>() 等价于 new ArrayList() */List numberList = new ArrayList();/** * 2.添加不同子类 */numberList.add(1);//添加Integer类型numberList.add(0.5);//添加Double类型numberList.add(10000L);//添加Long类型/** * 3.创建泛型为Number的List类,Integer、Double、Long等都是Number的子类 * 引用是泛型类别是Number,但具体实现指定的泛型是Integer */List numberListTwo = new ArrayList();//err 异常编译不通过/** * 4.创建泛型为Integer的List类,把该对象的引用地址指向泛型为Number的List */List integerList = new ArrayList();List numberListThree = integerList;//err 异常编译不通过

  • 第一步:我们创建一个泛型为Number的List,编译器检查泛型类别是否一致,一致编译通过(确认参数化类型)
  • 第二步:泛型Number已经填充完毕,调用add函数,此时add入参泛型T已经填充为Number,add可入参Number或其子类
  • 第三步:我们又创建一个泛型为Number的List,编译器检查泛型类别是否一致,不一致编译失败,提示错误(确认参数化类型)
  • 第四步:其实与第三步一样,只是做了一个间接的引用(确认参数化类型)

如果要解决上面的编译不通过问题,就需要使用通配符,代码如下

/** * 1.上边界通配符,Number与Number子类 */List numberListFour = new ArrayList();numberListFour = new ArrayList();numberListFour = new ArrayList();numberListFour = new ArrayList();/** * 2.下边界通配符,Integer与Integer父类 */List integerList = new ArrayList();integerList = new ArrayList();integerList = new ArrayList();/** * 3. 无界通配符,类型不确定,任意类型 */List list = new ArrayList();list = new ArrayList();list = new ArrayList();list = new ArrayList();

最后再来说上边界通配符只读不写,下边界通配符只写不读到底是什么意思,用最简单的话来说

  • 上边界通配符不作为函数入参,只作为函数返回类型,比如List的使用add函数会编译不通过,get函数则没问题
  • 下边界通配符不作为函数返回类型,只作为函数入参,比如List的add函数正常调用,get函数也没问题,但只会返回Object,所以意义不大

大家只需要记住上面的规则即可,如果想知道为什么这样设计,可以去了解下P E C S (producer-extends,consumer-super)原则

最佳实践

相信过完基础理论大家很多东西都回忆起来了,不要着急,现在开始进入正题,后面内容会有大量的代码实践,所以大家要坐稳了,别晕车了,晕车的话多看几遍,或者评论区提出你的疑问~

一文通关苦涩难懂的Java泛型

无限通配符场景

使用泛型,类型参数不确定并且不关心实际的类型参数,就可以使用,像下面的代码

/** * 获取集合长度 */public static int size(Collection list){ return list.size();}/** * 获取集合长度-2 */public static int sizeTwo(Collection list){ return list.size();}/** * 获取任意Set两个集合交集数量 */public static int beMixedSum(Set s1,Set s2){ int i = 0; for (T t : s1) { if (s2.contains(t)) { i++; } } return i;}/** * 获取任意两个Set集合交集数量-2 */public static int beMixedSumTwo(Set s1,Set s2){ int i = 0; for (Object o : s1) { if (s2.contains(o)) { i++; } } return i;}

size与sizeTwo这两个函数都可以正常使用,但是站在设计的角度,sizeTwo会更合适,函数的目标是返回任意集合的长度,入参采用都可以接收,但是函数本身并不关心你是什么类型参数,仅仅只要返回长度即可,所以采用

beMixedSum与beMixedSumTwo这两个函数比较,道理同上面一样,beMixedSumTwo会更合适,函数的目标是返回两个任意Set集合的交集数量,beMixedSum函数虽然内部有使用到,但是意义不大,因为contains入参是Object,函数本身并不关心你是什么类型参数,所以采用

忘了补充另一个场景,就是原生态类型,上述代码使用原生态类型函数使用也没问题,但是强烈不推荐,因为使用原生态就丢失了泛型带来的安全性与描述性!!!

上下边界通配符场景

首先泛型是不变的,换句话说List != List,有时候需要更多灵活性,就可以通过上下边界通配符来做提升。

/** * 集合工具类 */public class CollectionUtils{ /** * 复制集合-泛型 */ public List listCopy(Collection collection){ List newCollection = new ArrayList<>(); for (T t : collection) { newCollection.add(t); } return newCollection; } }

上面声明了一个CollectionUtils类,拥有listCopy方法,传入任意一个集合返回新的集合,看似没有什么问题,也很灵活,那再看看下面这段代码。

public static void main(String[] agrs){ CollectionUtils collectionUtils = new CollectionUtils<>(); List list = new ArrayList<>(); //list.add.... List listTwo = new ArrayList<>(); //listTwo.add.... List listThree = new ArrayList<>(); //listThree.add.... List list1 = collectionUtils.listCopy(list); list1 = collectionUtils.listCopy(listTwo);//err 编译异常 list1 = collectionUtils.listCopy(listThree);//err 编译异常}

创建CollectionUtils类,泛型的类型参数为Number,listCopy函数入参的泛型填充为Number,此时listCopy只支持泛型为Number的List,如果要让它同时支持泛型为Number子类的List,就需要使用上边界通配符,我们再追加一个方法

/** * 集合工具 */public class CollectionUtils{ /** * 复制集合-泛型 */ public List listCopy(Collection collection){ List newCollection = new ArrayList<>(); for (T t : collection) { newCollection.add(t); } return newCollection; } /** * 复制集合-上边界通配符 */ public List listCopyTwo(Collection collection){ List newCollection = new ArrayList<>(); for (T t : collection) { newCollection.add(t); } return newCollection; }}public static void main(String[] agrs){ CollectionUtils collectionUtils = new CollectionUtils<>(); List list = new ArrayList<>(); //list.add.... List listTwo = new ArrayList<>(); //listTwo.add.... List listThree = new ArrayList<>(); //listThree.add.... List list1 = collectionUtils.listCopyTwo(list); list1 = collectionUtils.listCopyTwo(listTwo); list1 = collectionUtils.listCopyTwo(listThree);}

现在使用listCopyTwo就没有问题,listCopyTwo对比listCopy它的适用范围更广泛也更灵活,listCopy能做的listCopyTwo能做,listCopyTwo能做的listCopy就不一定能做了,除此之外,细心的小伙伴肯定发现了,使用上边界通配符的collection在函数内只使用到了读操作,遵循了只读不写原则。

看完了上边界通配符,再来看看下边界通配符,依然是复制方法

/** * 儿子 */public class Son extends Father{}/** * 父亲 */public class Father extends Grandpa{}/** * 爷爷 */public class Grandpa {}/** * 集合工具 */public class CollectionUtils{ /** * 复制集合-泛型 * target目标 src来源 */ public void copy(List target,List src){ if (src.size() > target.size()){ for (int i = 0; i < src.size(); i++) { target.set(i,src.get(i)); } } } }

定义了3个类,分别是Son儿子、Father父亲、Grandpa爷爷,它们是继承关系,作为集合元素,还声明了一个CollectionUtils类,拥有copy方法,传入两个集合,目标集合与来源集合,把来源集合元素复制到目标集合中,再看看下面这段代码

public static void main(String[] agrs){ CollectionUtils collectionUtils = new CollectionUtils<>(); List fatherTargets = new ArrayList<>(); List fatherSources = new ArrayList<>(); //fatherSources.add... collectionUtils.copy(fatherTargets,fatherSources); //子类复制到父类 List sonSources = new ArrayList<>(); //sonSources.add... collectionUtils.copy(fatherTargets,sonSources);//err 编译异常 }

创建CollectionUtils类,泛型的类型参数为Father父亲,copy函数入参的泛型填充为Father,此时copy只支持泛型为Father的List,也就说,只支持泛型的类型参数为Father之间的复制,如果想支持把子类复制到父类要怎么做,先分析下copy函数,copy函数的入参src在函数内部只涉及到了get函数,即读操作(泛型只作为get函数返回类型),符合只读不写原则,可以采用上边界通配符,调整代码如下

/** * 集合工具 */public class CollectionUtils{ /** * 复制集合-泛型 * target目标 src来源 */ public void copy(List target,List src){ if (src.size() > target.size()){ for (int i = 0; i < src.size(); i++) { target.set(i,src.get(i)); } } }}public static void main(String[] agrs){ CollectionUtils collectionUtils = new CollectionUtils<>(); List fatherTargets = new ArrayList<>(); List fatherSources = new ArrayList<>(); //fatherSources.add... collectionUtils.copy(fatherTargets,fatherSources); //子类复制到父类 List sonSources = new ArrayList<>(); //sonSources.add... collectionUtils.copy(fatherTargets,sonSources); //把子类复制到父类的父类 List grandpaTargets = new ArrayList<>(); collectionUtils.copy(grandpaTargets,sonSources);//err 编译异常}

src入参调整为上边界通配符后,copy函数传入List sonSources就没问题了,此时的copy函数比相较之前的更加灵活了,支持同类与父子类复制,接着又发现了一个问题,目前能复制到上一级父类,如果是多级父类,还无法支持,继续分析copy函数,copy函数的入参target在函数内部只涉及到了add函数,即写操作(只作为add函数入参),符合只写不读原则,可以采用下边界通配符,调整代码如下

/** * 集合工具 */public class CollectionUtils{ /** * 复制集合-泛型 * target目标 src来源 */ public void copy(List target,List src){ if (src.size() > target.size()){ for (int i = 0; i < src.size(); i++) { target.set(i,src.get(i)); } } }}public static void main(String[] agrs){ CollectionUtils collectionUtils = new CollectionUtils<>(); List fatherTargets = new ArrayList<>(); List fatherSources = new ArrayList<>(); //fatherSources.add... collectionUtils.copy(fatherTargets,fatherSources); //子类复制到父类 List sonSources = new ArrayList<>(); //sonSources.add... collectionUtils.copy(fatherTargets,sonSources); //把子类复制到父类的父类 List grandpaTargets = new ArrayList<>(); collectionUtils.copy(grandpaTargets,sonSources);}

copy函数终于是完善了,可以说现在是真正支持父子类复制,不难发现copy函数的设计还是遵循通配符原则的,target作为目标集合,只做写入,符合只写不读原则,采用了下边界通配符,src作为来源集合写入到target目标集合,只做读取,符合只读不写原则,采用了上边界通配符,最后设计出来的copy函数,它的灵活性与适用范围是远超方式设计的。

最后什么时候用通配符,如果参数泛型类即要读也要写,那么就不推荐使用,使用正常的泛型即可,如果参数泛型类只读或写,就可以根据原则采用对应的上下边界,是不是十分简单,最后再说一次读写的含义,这块确实很容易晕

  • 读:所谓读是指参数泛型类,泛型只作为该参数类的函数返回类型,那这个函数就是读,List作为参数泛型类,它的get函数就是读
  • 写:所谓写是指参数泛型类,泛型只作为该参数类的函数入参,那这个函数就是写,List作为参数泛型类,它的add函数就是读

最后可以推荐下大家可以思考下Stream的forEach函数与map函数的设计,在Java1.8 Stream中是大量用到了通配符设计

-----------------------------------------------------------------/** * 下边界通配符 */void forEach(Consumer action);public interface Consumer { //写方法 void accept(T t);}-----------------------------------------------------------------/** * 上下边界通配符 */ Stream map(Function mapper)public interface Function { //读写方法,T只作为入参符合写,R只作为返回值,符合读 R apply(T t);}-----------------------------------------------------------------//代码案例public static void main(String[] agrs) { List fatherList = new ArrayList<>(); Consumer action = new Consumer() { @Override public void accept(Father father) { //执行father逻辑 } }; //下边界通配符向上转型 Consumer actionTwo = new Consumer() { @Override public void accept(Grandpa grandpa) { //执行grandpa逻辑 } }; Function mapper = new Function() { @Override public Grandpa apply(Father father) { //执行father逻辑后返回Grandpa return new Grandpa(); } }; //下边界通配符向上转型,下边界通配符向下转型 Function mapperTwo = new Function() { @Override public Son apply(Grandpa grandpa) { //执行grandpa逻辑后,返回Son return new Son(); } }; fatherList.stream().forEach(action); fatherList.stream().forEach(actionTwo); fatherList.stream().map(mapper); fatherList.stream().map(mapperTwo); }-----------------------------------------------------------------

有限制泛型场景

有限制泛型很简单了,应用场景就是你需要对泛型的参数类型做限制,就可以使用它,比如下面这段代码

public class GenericClass { public void test(T t){ //.... }}public static void main(String[] agrs){ GenericClass grandpaGeneric = new GenericClass<>(); grandpaGeneric.test(new Grandpa()); grandpaGeneric.test(new Father()); grandpaGeneric.test(new Son()); GenericClass fatherGeneric = new GenericClass<>(); fatherGeneric.test(new Father()); fatherGeneric.test(new Son()); GenericClass sonGeneric = new GenericClass<>(); sonGeneric.test(new Son()); GenericClass ObjectGeneric = new GenericClass<>();//err 编译异常 }

GenericClass泛型参数化类型被限制为Grandpa或其子类,就这么简单,千万不要把有限制泛型与上边界通配符搞混了,这两个不是同一个东西( != ),不需要遵循上边界通配符的原则,它就是简单的泛型参数化类型限制,而且没有super的写法。

递归泛型场景

在有限制泛型的基础上,又可以衍生出递归泛型,就是自身需要使用到自身,比如集合进行自定义元素大小比较的时候,通常会配合Comparable接口来完成,看看下面这段代码

public class Person implements Comparable

{ private int age; public Person(int age) { this.age = age; } public int getAge() { return age; } @Override public int compareTo(Person o) { // 0代表相等 1代表大于 <0代表小于 return this.age - o.age; }}/** * 集合工具 */public class CollectionUtils{ /** * 获取集合最大值 */ public static > E max(List list){ E result = null; for (E e : list) { if (result == null || e.compareTo(result) > 0){ result = e; } } return result; }}public static void main(String[] agrs){ List

personList = new ArrayList<>(); personList.add(new Person(12)); personList.add(new Person(19)); personList.add(new Person(20)); personList.add(new Person(5)); personList.add(new Person(18)); //返回年龄最大的Person元素 Person max = CollectionUtils.max(personList);}

重点关注max泛型函数,max泛型函数的目标是返回集合最大的元素,内部比较元素大小,取最大值返回,也就说需要和同类型元素做比较,>含义是,泛型E必须是Comparable或其子类/实现类,因为比较元素是同类型,所以Comparable泛型也是E,最终接收的List泛型参数化类型必须实现了Comparable接口,并且Comparable接口填充的泛型也是该参数化类型,就像上述代码一样。

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