Java 泛型 - 技术栈

public class Box {
    private Object[] contents = new Object[20];
    public void setContent(int pos, Object content) {
        if (pos < 0 || pos > contents.length) {
            throw new RuntimeException("下标越界");
        }
        contents[pos] = content;
    }
    public Object getContent(int pos) {
        if (pos < 0 || pos > contents.length) {
            throw new RuntimeException("下标越界");
        }
        return contents[pos];
    }
}

尝试存放数据：

java 复制代码

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Box box = new Box();
        box.setContent(0, "abc");
        box.setContent(1, 20);
    }
}

由于 setContent 方法中，传递的元素数据类型为 Object，因此，数组中可以存放任意类型的数据

当我们获得数组中某个下标的值时，需要进行强制类型转换：

java 复制代码

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Box box = new Box();
        box.setContent(0, "abc");
        box.setContent(1, 20);
        String str = (String) box.getContent(0);
        String str2 = (String) box.getContent(1);
    }
}

若存放的元素类型与转换的类型不匹配时，就会抛出异常

因此，我们需要知道每个下标所存放的元素类型

在这种情况下，即使数组中存放的都是同一种类型的数据，但在取出元素时都需要进行强转

且数组可以存放任意类型的数据，但在更多情况下，我们希望其能够只存储一种数据类型，而不是同时存储多种数据类型

此时，我们就可以使用泛型，将我们需要的类型进行传递，指定当前容器需要持有什么类型的对象，让编译器去做检查

接下来，我们就来学习泛型的语法

泛型的语法

泛型类的定义：

class 泛型类名<类型形参列表> {

}

例如：

java 复制代码

class Box<T> {
}

类名后面的 <T> 代表占位符，表示当前类是一个泛型类

T 代表了类型参数，表示未知类型，通常使用一个大写字母表示

在泛型类中，可以定义多个类型参数作为占位符：

java 复制代码

public class Pair<K, V> {
}

其中，K 和 V 是两个不同的占位符，分布表示键和值的类型

在 Java 中，类型参数一般使用一个大写字母表示，且常用的名称有：

T：表示类型（Type）

E：表示元素（Element），常用于集合类

K 和 V：表示键（Key）和值（Value），常用于映射（Map）

其中，类型参数不能为基本数据类型（如 int、char 等），可以使用其对应的包装类（如 Integer、Character 等）

我们对 Box 类进行改写：

但是，当我们创建 T 类型数组时：

类型参数 T 不能直接实例化，也就是说，不能 new 泛型类型的数组

这是为什么呢？

关于这个问题，我们先不解决，在后面 类型擦除时，再进行理解

我们仍然创建 Object 类型的数组，在传递元素类型时，传递 T 类型的数据，在获取指定下标元素时，返回 T 类型的数据

java 复制代码

public class Box<T> {
    private Object[] contents = new Object[20];
    public void setContent(int pos, T content) {
        if (pos < 0 || pos > contents.length) {
            throw new RuntimeException("下标越界");
        }
        contents[pos] = content;
    }
    public T getContent(int pos) {
        if (pos < 0 || pos > contents.length) {
            throw new RuntimeException("下标越界");
        }
        return (T) contents[pos];
    }
}

泛型类创建好了，接下来，我们就来学习如何使用

泛型类的使用

要使用泛型类，我们首先需要实例化一个泛型类对象：

泛型类<类型实参> 变量名 = new 泛型类<类型实参>(构造方法实参);

相比于普通的类，泛型类需要传递类型实参

java 复制代码

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Box<String> box = new Box<String>();
    }
}

new Box<String>() 中的实参类型可以省略：

java 复制代码

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Box<String> box = new Box<>();
    }
}

这是因为编译器可以根据上下文进行类型推导

类型推导

类型推导（Type Inference） 是指编译器根据上下文推断出泛型参数的具体类型。类型推导使得Java代码更简洁，减少了重复的类型参数声明，同时保持了类型安全性

Box<String> box = new Box<>(); // 可以推导出实例化需要的类型为 String

当我们未传递类型参数时，也不会报错：

Box box = new Box();

Box 是泛型类但并没有带类型实参，此时的 Box 是一个裸类型

裸类型

裸类型（Raw Type） 是指没有指定类型参数的泛型类或接口 。使用裸类型时，编译器不会进行类型检查，因此可能会导致类型安全问题

裸类型是为了兼容老版本的 API 保留的机制，其风险在于编译器无法检查类型的一致性，这也就可能会导致运行时错误

例如：

java 复制代码

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用裸类型
        Box box = new Box(); // 警告：使用裸类型
        box.setContent(0, "Hello");
        box.setContent(1, 123); // 允许的，但可能会导致问题

        // 不安全的类型转换
        String str = (String) box.getContent(1); // 运行时可能抛出 ClassCastException
    }
}

因此，我们应该尽量避免使用裸类型

泛型的上界

在定义泛型类时，有时需要对传入的类型变量做一定的约束，此时，可以通过类型边界来约束

类型边界，也就是泛型的上界 ，可以确保泛型类型参数是某个类或接口的子类或实现类

通过关键字 extends 来指定上界：

class 泛型类名称<类型形参 extends类型边界> {

}

例如：

java 复制代码

public class Box<T extends Number> {

}

Box 只接受 Number 的子类作为 T 的类型实参

此时传递 String 类型，就会编译出错

使用上界，可以确保类型参数是某个类的子类，从而避免类型不匹配的问题

而当泛型的上界为接口时，表示传入的类型必须是实现了该接口的：

java 复制代码

public class Box<T extends Comparable<T>> {
}

T 必须是实现了 Comparable 接口的

而在前面我们没有指定类型边界时，可看做 E extends Object

泛型方法

在方法中使用泛型类型参数，这使得方法可以处理不同类型的数据，而不需要进行强制类型转换

访问修饰符 <类型形参列表> 返回值类型方法名称(形参列表) {

}

例如：

java 复制代码

public class MyArray {
    // 泛型方法
    public static <T> void printArray(T[] array) {
        for (T element : array) {
            System.out.println(element);
        }
    }
}

当使用静态的泛型方法时，需要在 static 后面用 <> 声明泛型类型参数

泛型方法也可以有多个类型参数：

java 复制代码

public class Pair<K, V> {
    private K key;
    private V value;

    public Pair(K key, V value) {
        this.key = key;
        this.value = value;
    }

    public K getKey() {
        return key;
    }

    public V getValue() {
        return value;
    }

    // 泛型方法，返回 Pair 的字符串表示
    public static <K, V> String displayPair(Pair<K, V> pair) {
        return "Key: " + pair.getKey() + ", Value: " + pair.getValue();
    }

}

通配符

**?**在泛型中表示通配符

通配符是一种特殊的类型参数，表示一个不确定的类型

无界通配符

无界通配符使用**?** 表示，表示可以接受任何类型，常用于方法参数中：

java 复制代码

public void printList(List<?> list) {
    for (Object element : list) {
        System.out.println(element);
    }
}

上界通配符

上界通配符使用**? extends T** 表示，表示可以接受 T 的子类或 T 本身，常用于需要读取数据但不修改数据的情况：

java 复制代码

public void processAnimals(List<? extends Animal> animals) {
    for (Animal animal : animals) {
        animal.makeSound(); // 只读取 Animal 类型
    }
}

在使用上界通配符时，可以安全地读取数据，因为集合中的元素是 T 类型或其子类，因此，我们可以调用 T 的方法

但我们只知道集合中的元素类型是 T 的某个子类，无法确定其具体的类型，因此，无法向集合中添加元素：

java 复制代码

List<? extends Animal> animals = new ArrayList<Dog>();
animals.add(new Cat()); // 编译错误

在上述例子中，animals 可以是 Dog 类型的列表，也可以是 Cat 类型的列表，若我们允许添加 Cat，就会破坏 List<Dog> 的类型，导致类型不一致

下界通配符

下界通配符使用 ? super T 表示，表示可以接受 T 的超类或 T 本身，常用于需要向集合中添加数据的情况：

java 复制代码

List<? super Dog> animals = new ArrayList<Animal>();
animals.add(new Dog());

在使用下界通配符时，我们可以安全的添加类型为 T 及其子类的对象，因为集合中的元素类型是 T 的超类或 T 本身，因此，可以确保我们添加的数据是合法的

但是，由于我们只知道集合中的元素类型是 T 的超类，无法确定实际的元素类型，由于可能会存在多种不同的超类，因此，无法安全地将读取到的元素强制转换为 T 或其子类

java 复制代码

List<? super Dog> animals = new ArrayList<Animal>();
Animal animal = animals.get(0); // 编译错误，因为我们不知道具体类型

泛型是如何编译的

我们查看 Box 的字节码文件：

可以看到，所有的 T 都是Object类型的

在编译过程中，将所有的T替换为 Object 这种机制，我们称为：擦除机制

擦除机制

在Java中，类型擦除 是指在编译期间 ，泛型类型的信息被移除的过程。这意味着在运行时 ，Java虚拟机（JVM）只知道原始类型，而不保留泛型类型参数的信息。这种机制确保了Java的兼容性，同时允许泛型代码与旧版本的Java代码一起工作。

当编译器遇到泛型类型时，会进行以下操作：

（1）替换类型参数：将泛型类型参数替换为其边界类型或 Object（如果没有边界）

（2）添加强制类型转换：在需要时添加类型转换，以确保类型安全

例如，存在泛型类：

java 复制代码

public class Box<T> {
    private T item;

    public void setItem(T item) {
        this.item = item;
    }

    public T getItem() {
        return item;
    }
}

在编译时，编译器会生成与以下非泛型类等效的代码：

java 复制代码

public class Box {
    private Object item;

    public void setItem(Object item) {
        this.item = item;
    }

    public Object getItem() {
        return item;
    }
}

正是由于擦除机制的存在，因此不能创建泛型类型的实例，如 new T()，因为 Java 的泛型实现依赖于类型擦除。在编译时，泛型类型参数（如 T）会被替换为其边界类型（如 Object），这意味着在运行时，JVM并不知道 T 是什么类型。因此，无法创建一个特定类型的实例

上述不能 new 泛型类型的数组也是由于擦除机制的存在，编译时，泛型类型会被替换为它们的原始类型。这意味着在运行时，所有的泛型信息都被丢失。因此，如果允许创建泛型数组，就会导致运行时类型不安全

那么，能否这样写呢？

private T[] contents = (T[]) new Object[20];

也是不能的

因为在进行类型擦除时，意味着 T 的实际类型信息在运行时是不可用的。因此，直接将 Object 数组转换为 T 类型数组可能会导致类型安全问题，例如，在 contents 中存放了不符合 T 类型的对象，在读取时就会抛出 ClassCastException

这行代码也会触发 unchecked cast 警告：

因为编译器无法保证 Object[] 中的元素能被安全地视为 T[]

那么，我们就是想要创建 T 类型的数组，该如何实现呢？

可以通过反射创建指定类型的数组：

java 复制代码

public class Box<T extends Student> {
    private T[] contents = null;
    public Box(Class<T> c, int capacity) {
        contents = (T[]) Array.newInstance(c, capacity);
    }
}