Java泛型 (一)

什么是泛型？

 

泛型（Generic type 或者 generics）是对 Java 语言的类型系统的一种扩展，以支持创建可以按类型进行参数化的类。可以把类型参数看作是使用参数化类型时指定的类型的一个占位符，就像方法的形式参数是运行时传递的值的占位符一样。
可以在集合框架（Collection framework）中看到泛型的动机。例如，Map 类允许您向一个 Map 添加任意类的对象，即使最常见的情况是在给定映射（map）中保存某个特定类型（比如 String）的对象。
因为 Map.get() 被定义为返回 Object，所以一般必须将 Map.get() 的结果强制类型转换为期望的类型，如下面的代码所示：
Map m = new HashMap();
m.put("key", "blarg");
String s = (String) m.get("key");
要让程序通过编译，必须将 get() 的结果强制类型转换为 String，并且希望结果真的是一个 String。但是有可能某人已经在该映射中保存了不是 String 的东西，这样的话，上面的代码将会抛出 ClassCastException。
理想情况下，您可能会得出这样一个观点，即 m 是一个 Map，它将 String 键映射到 String 值。这可以让您消除代码中的强制类型转换，同时获得一个附加的类型检查层，该检查层可以防止有人将错误类型的键或值保存在集合中。这就是泛型所做的工作。

泛型的好处
Java 语言中引入泛型是一个较大的功能增强。不仅语言、类型系统和编译器有了较大的变化，以支持泛型，而且类库也进行了大翻修，所以许多重要的类，比如集合框架，都已经成为泛型化的了。这带来了很多好处：
类型安全。 泛型的主要目标是提高 Java 程序的类型安全。通过知道使用泛型定义的变量的类型限制，编译器可以在一个高得多的程度上验证类型假设。没有泛型，这些假设就只存在于程序员的头脑中（或者如果幸运的话，还存在于代码注释中）。
Java 程序中的一种流行技术是定义这样的集合，即它的元素或键是公共类型的，比如“String 列表”或者“String 到 String 的映射”。通过在变量声明中捕获这一附加的类型信息，泛型允许编译器实施这些附加的类型约束。类型错误现在就可以在编译时被捕获了，而不是在运行时当作 ClassCastException 展示出来。将类型检查从运行时挪到编译时有助于您更容易找到错误，并可提高程序的可靠性。
消除强制类型转换。 泛型的一个附带好处是，消除源代码中的许多强制类型转换。这使得代码更加可读，并且减少了出错机会。
尽管减少强制类型转换可以降低使用泛型类的代码的罗嗦程度，但是声明泛型变量会带来相应的罗嗦。比较下面两个代码例子。
该代码不使用泛型：
List li = new ArrayList();
li.put(new Integer(3));
Integer i = (Integer) li.get(0);

该代码使用泛型：
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.put(new Integer(3));
Integer i = li.get(0);

在简单的程序中使用一次泛型变量不会降低罗嗦程度。但是对于多次使用泛型变量的大型程序来说，则可以累积起来降低罗嗦程度。
潜在的性能收益。 泛型为较大的优化带来可能。在泛型的初始实现中，编译器将强制类型转换（没有泛型的话，程序员会指定这些强制类型转换）插入生成的字节码中。但是更多类型信息可用于编译器这一事实，为未来版本的 JVM 的优化带来可能。
由于泛型的实现方式，支持泛型（几乎）不需要 JVM 或类文件更改。所有工作都在编译器中完成，编译器生成类似于没有泛型（和强制类型转换）时所写的代码，只是更能确保类型安全而已。

泛型用法的例子
泛型的许多最佳例子都来自集合框架，因为泛型让您在保存在集合中的元素上指定类型约束。考虑这个使用 Map 类的例子，其中涉及一定程度的优化，即 Map.get() 返回的结果将确实是一个 String：

Map m = new HashMap();
m.put("key", "blarg");
String s = (String) m.get("key");

如果有人已经在映射中放置了不是 String 的其他东西，上面的代码将会抛出 ClassCastException。泛型允许您表达这样的类型约束，即 m 是一个将 String 键映射到 String 值的 Map。这可以消除代码中的强制类型转换，同时获得一个附加的类型检查层，这个检查层可以防止有人将错误类型的键或值保存在集合中。
下面的代码示例展示了 JDK 5.0 中集合框架中的 Map 接口的定义的一部分：

public interface Map<K, V> {
public void put(K key, V value);
public V get(K key);
}
注意该接口的两个附加物：
类型参数 K 和 V 在类级别的规格说明，表示在声明一个 Map 类型的变量时指定的类型的占位符。
在 get()、put() 和其他方法的方法签名中使用的 K 和 V。
为了赢得使用泛型的好处，必须在定义或实例化 Map 类型的变量时为 K 和 V 提供具体的值。以一种相对直观的方式做这件事：
Map<String, String> m = new HashMap<String, String>();
m.put("key", "blarg");
String s = m.get("key");
当使用 Map 的泛型化版本时，您不再需要将 Map.get() 的结果强制类型转换为 String，因为编译器知道 get() 将返回一个 String。
在使用泛型的版本中并没有减少键盘录入；实际上，比使用强制类型转换的版本需要做更多键入。使用泛型只是带来了附加的类型安全。因为编译器知道关于您将放进 Map 中的键和值的类型的更多信息，所以类型检查从执行时挪到了编译时，这会提高可靠性并加快开发速度。

向后兼容
在 Java 语言中引入泛型的一个重要目标就是维护向后兼容。尽管 JDK 5.0 的标准类库中的许多类，比如集合框架，都已经泛型化了，但是使用集合类（比如 HashMap 和 ArrayList）的现有代码将继续不加修改地在 JDK 5.0 中工作。当然，没有利用泛型的现有代码将不会赢得泛型的类型安全好处。


二 泛型基础
类型参数
在定义泛型类或声明泛型类的变量时，使用尖括号来指定形式类型参数。形式类型参数与实际类型参数之间的关系类似于形式方法参数与实际方法参数之间的关系，只是类型参数表示类型，而不是表示值。
泛型类中的类型参数几乎可以用于任何可以使用类名的地方。例如，下面是 java.util.Map 接口的定义的摘录：
public interface Map<K, V> {
public void put(K key, V value);
public V get(K key);
}
Map 接口是由两个类型参数化的，这两个类型是键类型 K 和值类型 V。（不使用泛型）将会接受或返回 Object 的方法现在在它们的方法签名中使用 K 或 V，指示附加的类型约束位于 Map 的规格说明之下。
当声明或者实例化一个泛型的对象时，必须指定类型参数的值：
Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
注意，在本例中，必须指定两次类型参数。一次是在声明变量 map 的类型时，另一次是在选择 HashMap 类的参数化以便可以实例化正确类型的一个实例时。
编译器在遇到一个 Map<String, String> 类型的变量时，知道 K 和 V 现在被绑定为 String，因此它知道在这样的变量上调用 Map.get() 将会得到 String 类型。
除了异常类型、枚举或匿名内部类以外，任何类都可以具有类型参数。

命名类型参数
推荐的命名约定是使用大写的单个字母名称作为类型参数。这与 C++ 约定有所不同（参阅 附录 A：与 C++ 模板的比较），并反映了大多数泛型类将具有少量类型参数的假定。对于常见的泛型模式，推荐的名称是：
K —— 键，比如映射的键。
V —— 值，比如 List 和 Set 的内容，或者 Map 中的值。
E —— 异常类。
T —— 泛型。

泛型不是协变的
关于泛型的混淆，一个常见的来源就是假设它们像数组一样是协变的。其实它们不是协变的。List<Object> 不是 List<String> 的父类型。
如果 A 扩展 B，那么 A 的数组也是 B 的数组，并且完全可以在需要 B[] 的地方使用 A[]：
Integer[] intArray = new Integer[10];
Number[] numberArray = intArray;
上面的代码是有效的，因为一个 Integer 是 一个 Number，因而一个 Integer 数组是 一个 Number 数组。但是对于泛型来说则不然。下面的代码是无效的：
List<Integer> intList = new ArrayList<Integer>();
List<Number> numberList = intList; // invalid
最初，大多数 Java 程序员觉得这缺少协变很烦人，或者甚至是“坏的（broken）”，但是之所以这样有一个很好的原因。如果可以将 List<Integer> 赋给 List<Number>，下面的代码就会违背泛型应该提供的类型安全：
List<Integer> intList = new ArrayList<Integer>();
List<Number> numberList = intList; // invalid
numberList.add(new Float(3.1415));
因为 intList 和 numberList 都是有别名的，如果允许的话，上面的代码就会让您将不是 Integers 的东西放进 intList 中。但是，正如下一屏将会看到的，您有一个更加灵活的方式来定义泛型。

类型通配符
假设您具有该方法：
void printList(List l) {
for (Object o : l)
    System.out.println(o);
}
上面的代码在 JDK 5.0 上编译通过，但是如果试图用 List<Integer> 调用它，则会得到警告。出现警告是因为，您将泛型（List<Integer>）传递给一个只承诺将它当作 List（所谓的原始类型）的方法，这将破坏使用泛型的类型安全。
如果试图编写像下面这样的方法，那么将会怎么样？
void printList(List<Object> l) {
for (Object o : l)
    System.out.println(o);
}
它仍然不会通过编译，因为一个 List<Integer> 不是 一个 List<Object>（正如前一屏 泛型不是协变的 中所学的）。这才真正烦人 —— 现在您的泛型版本还没有普通的非泛型版本有用！
解决方案是使用类型通配符：
void printList(List<?> l) {
for (Object o : l)
    System.out.println(o);
}
上面代码中的问号是一个类型通配符。它读作“问号”。List<?> 是任何泛型 List 的父类型，所以您完全可以将 List<Object>、List<Integer> 或 List<List<List<Flutzpah>>> 传递给 printList()。

类型通配符的作用
前一屏 类型通配符 中引入了类型通配符，这让您可以声明 List<?> 类型的变量。您可以对这样的 List 做什么呢？非常方便，可以从中检索元素，但是不能添加元素。原因不是编译器知道哪些方法修改列表哪些方法不修改列表，而是（大多数）变化的方法比不变化的方法需要更多的类型信息。下面的代码则工作得很好：
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.add(new Integer(42));
List<?> lu = li;
System.out.println(lu.get(0));
为什么该代码能工作呢？对于 lu，编译器一点都不知道 List 的类型参数的值。但是编译器比较聪明，它可以做一些类型推理。在本例中，它推断未知的类型参数必须扩展 Object。（这个特定的推理没有太大的跳跃，但是编译器可以作出一些非常令人佩服的类型推理，后面就会看到（在 底层细节 一节中）。所以它让您调用 List.get() 并推断返回类型为 Object。
另一方面，下面的代码不能工作：
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.add(new Integer(42));
List<?> lu = li;
lu.add(new Integer(43)); // error
在本例中，对于 lu，编译器不能对 List 的类型参数作出足够严密的推理，以确定将 Integer 传递给 List.add() 是类型安全的。所以编译器将不允许您这么做。
以免您仍然认为编译器知道哪些方法更改列表的内容哪些不更改列表内容，请注意下面的代码将能工作，因为它不依赖于编译器必须知道关于 lu 的类型参数的任何信息：
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.add(new Integer(42));
List<?> lu = li;
lu.clear();

泛型方法
（在 类型参数 一节中）您已经看到，通过在类的定义中添加一个形式类型参数列表，可以将类泛型化。方法也可以被泛型化，不管它们定义在其中的类是不是泛型化的。
泛型类在多个方法签名间实施类型约束。在 List<V> 中，类型参数 V 出现在 get()、add()、contains() 等方法的签名中。当创建一个 Map<K, V> 类型的变量时，您就在方法之间宣称一个类型约束。您传递给 add() 的值将与 get() 返回的值的类型相同。
类似地，之所以声明泛型方法，一般是因为您想要在该方法的多个参数之间宣称一个类型约束。例如，下面代码中的 ifThenElse() 方法，根据它的第一个参数的布尔值，它将返回第二个或第三个参数：
public <T> T ifThenElse(boolean b, T first, T second) {
return b ? first : second;
}
注意，您可以调用 ifThenElse()，而不用显式地告诉编译器，您想要 T 的什么值。编译器不必显式地被告知 T 将具有什么值；它只知道这些值都必须相同。编译器允许您调用下面的代码，因为编译器可以使用类型推理来推断出，替代 T 的 String 满足所有的类型约束：
String s = ifThenElse(b, "a", "b");
类似地，您可以调用：
Integer i = ifThenElse(b, new Integer(1), new Integer(2));
但是，编译器不允许下面的代码，因为没有类型会满足所需的类型约束：
String s = ifThenElse(b, "pi", new Float(3.14));
为什么您选择使用泛型方法，而不是将类型 T 添加到类定义呢？（至少）有两种情况应该这样做：
当泛型方法是静态的时，这种情况下不能使用类类型参数。
当 T 上的类型约束对于方法真正是局部的时，这意味着没有在相同类的另一个 方法签名中使用相同 类型 T 的约束。通过使得泛型方法的类型参数对于方法是局部的，可以简化封闭类型的签名。

有限制类型
在前一屏 泛型方法 的例子中，类型参数 V 是无约束的或无限制的 类型。有时在还没有完全指定类型参数时，需要对类型参数指定附加的约束。
考虑例子 Matrix 类，它使用类型参数 V，该参数由 Number 类来限制：
public class Matrix<V extends Number> { ... }
编译器允许您创建 Matrix<Integer> 或 Matrix<Float> 类型的变量，但是如果您试图定义 Matrix<String> 类型的变量，则会出现错误。类型参数 V 被判断为由 Number 限制 。在没有类型限制时，假设类型参数由 Object 限制。这就是为什么前一屏 泛型方法 中的例子，允许 List.get() 在 List<?> 上调用时返回 Object，即使编译器不知道类型参数 V 的类型。

三 一个简单的泛型类
编写基本的容器类
此时，您可以开始编写简单的泛型类了。到目前为止，泛型类最常见的用例是容器类（比如集合框架）或者值持有者类（比如 WeakReference 或 ThreadLocal）。我们来编写一个类，它类似于 List，充当一个容器。其中，我们使用泛型来表示这样一个约束，即 Lhist 的所有元素将具有相同类型。为了实现起来简单，Lhist 使用一个固定大小的数组来保存值，并且不接受 null 值。
Lhist 类将具有一个类型参数 V（该参数是 Lhist 中的值的类型），并将具有以下方法：
public class Lhist<V> {
public Lhist(int capacity) { ... }
public int size() { ... }
public void add(V value) { ... }
public void remove(V value) { ... }
public V get(int index) { ... }
}
要实例化 Lhist，只要在声明时指定类型参数和想要的容量：
Lhist<String> stringList = new Lhist<String>(10);

实现构造函数
在实现 Lhist 类时，您将会遇到的第一个拦路石是实现构造函数。您可能会像下面这样实现它：
public class Lhist<V> {
** V[] array;
public Lhist(int capacity) {
    array = new V[capacity]; // illegal
}
}
这似乎是分配后备数组最自然的一种方式，但是不幸的是，您不能这样做。具体原因很复杂，当学习到 底层细节 一节中的“擦除”主题时，您就会明白。分配后备数组的实现方式很古怪且违反直觉。下面是构造函数的一种可能的实现（该实现使用集合类所采用的方法）：
public class Lhist<V> {
** V[] array;
public Lhist(int capacity) {
    array = (V[]) new Object[capacity];
}
}

另外，也可以使用反射来实例化数组。但是这样做需要给构造函数传递一个附加的参数 —— 一个类常量，比如 Foo.class。后面在 Class<T> 一节中将讨论类常量。

实现方法
实现 Lhist 的方法要容易得多。下面是 Lhist 类的完整实现：
public class Lhist<V> {
    ** V[] array;
    ** int size;
    public Lhist(int capacity) {
        array = (V[]) new Object[capacity];
    }
    public void add(V value) {
        if (size == array.length)
            throw new IndexOutOfBoundsException(Integer.toString(size));
        else if (value == null)
            throw new NullPointerException();
        array[size++] = value;
    }
    public void remove(V value) {
        int removalCount = 0;
        for (int i=0; i<size; i++) {
            if (array.equals(value))
                ++removalCount;
            else if (removalCount > 0) {
                array[i-removalCount] = array;
                array = null;
            }
        }
        size -= removalCount;
    }
    public int size() { return size; }
    public V get(int i) {
        if (i >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(Integer.toString(i));
        return array;
    }
}
注意，您在将会接受或返回 V 的方法中使用了形式类型参数 V，但是您一点也不知道 V 具有什么样的方法或域，因为这些对泛型代码是不可知的。

使用 Lhist 类
使用 Lhist 类很容易。要定义一个整数 Lhist，只需要在声明和构造函数中为类型参数提供一个实际值即可：
Lhist<Integer> li = new Lhist<Integer>(30);
编译器知道，li.get() 返回的任何值都将是 Integer 类型，并且它还强制传递给 li.add() 或 li.remove() 的任何东西都是 Integer。除了实现构造函数的方式很古怪之外，您不需要做任何十分特殊的事情以使 Lhist 是一个泛型类。