簡述泛型的基本使用和作用

来源:https://www.cnblogs.com/qian-fen/archive/2023/06/02/17451002.html
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# 前言 在上一篇文章中，給大家講解了泛型的概念、作用、使用場景，以及泛型集合、泛型介面和泛型類的用法，但受限於篇幅，並沒有把泛型的內容講解完畢。所以今天我們會繼續學習泛型方法、泛型擦除，以及通配符等的內容，希望大家繼續做好學習的準備哦。 *** 全文大約【**4600】** 字，不說廢話，只講可以 ...


前言

在上一篇文章中，給大家講解了泛型的概念、作用、使用場景，以及泛型集合、泛型介面和泛型類的用法，但受限於篇幅，並沒有把泛型的內容講解完畢。所以今天我們會繼續學習泛型方法、泛型擦除，以及通配符等的內容，希望大家繼續做好學習的準備哦。

全文大約【4600】 字，不說廢話，只講可以讓你學到技術、明白原理的純乾貨！本文帶有豐富的案例及配圖視頻，讓你更好地理解和運用文中的技術概念，並可以給你帶來具有足夠啟迪的思考...

一. 泛型方法

1. 簡介

我們可以在定義介面和類時使用泛型，這樣該介面和類中的所有方法及成員變數等處，也都可以使用該泛型。但其實泛型可以應用在整個類上，也可以只應用在類中的某個方法上。也就是說，方法所在的類可以是泛型類，也可以不是泛型類。方法中是否帶有泛型，與其所在的類有沒有泛型沒有關係。

泛型方法是在調用方法時才確定類型的方法，泛型可以使得該方法獨立於類而產生變化。另外，static靜態方法無法訪問泛型類的類型參數，因此，如果想讓一個static方法具有泛型能力，就必須使該靜態方法成為泛型方法。

2. 語法

我們在定義泛型方法時，需要在方法名的前面添加類型參數。定義泛型方法的語法格式如下：

[訪問許可權修飾符] [static] [final] <類型參數列表> 返回值類型 方法名([形式參數列表])

例如：

public static <T> List showInfo(Class<T> clazz,int userId){}

一般情況下，我們編寫泛型方法時，必須在該方法的名稱前聲明要使用的泛型，並且可以同時聲明多個泛型，中間也是用逗號分割。接下來就定義一個泛型方法，給大傢具體介紹一下泛型方法的創建和使用。

3. 代碼案例

這裡我們定義一個泛型方法，用於對數組排序後再遍歷元素輸出，代碼如下：

import java.util.Arrays;

public class Demo04 {
	
	//定義了一個靜態的泛型方法，遍曆數組中的每個元素
	public static <T> void printArray(T[] arr) {
		//先對數組進行排序
		Arrays.sort(arr);
		//再遍曆數組元素
	    for (T t : arr) {
	        System.out.print(t + " ");
	    }
	    System.out.println();
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		Integer[] nums= {100,39,8,200,65};
		//調用泛型方法
		printArray(nums);
	}
}

在上面的代碼中，printArray()就是一個泛型方法，該方法中使用了類型參數T。並且我們在方法的參數中，使用類型參數T定義了一個泛型數組T[]，接著對該數組進行排序和遍歷。這樣以後無論我們傳入任何類型的數組，都可以在不進行類型轉換的前提下，輕鬆實現排序等功能了，這樣我們之前提的需求也就很容易實現了。

二. 通配符

除了以上這些用法之外，泛型中還有一個很重要的通配符功能，接下來我們就來看看它是怎麼回事。

1. 簡介

泛型中的通配符其實也是一種特殊的泛型類型，也稱為通配符類型參數。利用通配符類型參數，可以讓我們編寫出更通用的代碼，甚至可以在不知道實際類型的情況下使用它們。我們一般是使用 ? 來代替具體的類型參數，例如 List<?> 在邏輯上可以等同於 List、List 等所有 List<具體類型實參> 的類。

對此，有的小伙伴可能會很好奇，我們為什麼需要通配符呢？其實之所以會出現通配符，主要是在開發時，有時候我們需要一個泛型類型，但我們卻不知道該使用哪個具體的類型。在這種情況下，我們就可以使用通配符類型參數，讓代碼更加地通用。比如，我們想編寫一個可以接受任何類型的集合，並返回其中最大的元素時，此時我們可能並不確定到底該傳入哪個具體的集合，那使用通配符就會更好一些。

2. 通配符的形式

泛型通配符在具體使用時，有如下三種實現形式：

  • 未限定通配符(?) ： ?表示未知類型的通配符；
  • 上限通配符(? extends T) ： ?表示類型上限的通配符，T是一個類或介面；
  • 下限通配符(? super T) ： ?表示類型下限的通配符，T是一個類或介面。

接下來我們針對以上這三種形式，分別通過幾個案例來給大家講解其用法。

3. 未限定通配符(?)

未限定通配符(?)是一種表示未知類型的通配符，它可以在需要一個類型參數的情況下使用。但由於沒有限制，因此它只能用於簡單的情況，例如集合中的迭代器或者返回類型是泛型的方法等。下麵是一個簡單的例子：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Demo05 {

	public static void main(String[] args) {
		List<String> names = new ArrayList<String>();
		List<Integer> ages = new ArrayList<Integer>();
		List<Number> numbers = new ArrayList<Number>();

		names.add("一一哥");
		names.add("秦始皇");
		ages.add(28);
		ages.add(50);
		ages.add(28);
		numbers.add(100);
		numbers.add(800);

		printElement(names);
		printElement(ages);
		printElement(numbers);
	}

	//未限定通配符的使用
	public static void printElement(List<?> data) {
		for(int i=0;i<data.size();i++) {
			//data.getClass().getSimpleName():用於獲取某個類的類名
			System.out.println(data.getClass().getSimpleName()+"--data: " + data.get(i));
		}
	}

}

在這個例子中，printElement()方法就接受了一個未知類型的List集合，所以names，ages，numbers都可以作為這個方法的實參，這就是未限定通配符的作用。

4. PECS原則

PECS是Producer Extends Consumer Super的縮寫，這是關於Java泛型的一種設計原則。該原則表示，如果我們需要返回T，它是生產者(Producer)，要使用extends通配符；如果需要寫入T，它就是消費者(Consumer)，要使用super通配符。該原則可以指導我們在使用泛型時，該如何定義類型參數的上限和下限。

當我們使用泛型時，可能需要定義類型參數的上限和下限。

例如，我們想要編寫一個方法來處理一些集合類型，但我們不知道這些集合中到底有什麼類型的元素，此時我們就可以定義一個類型參數來處理所有的集合類型。一般我們可以利用extends來設置泛型上限，利用super來設置泛型下限。接下來會在下麵的第5和第6小結中，給大家講解泛型的上限和下限具體該如何實現，請大家繼續往下學習。

5. 上限通配符(? extends T)

上限通配符(？extends T)是一種表示類型上限的通配符，其中T是一個類或介面，泛型類的類型必須實現或繼承 T這個介面或類。它指定了可以使用的類型上限，主要是用於限制輸入的參數類型。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * @author 一一哥Sun 
 */
public class Demo06 {

	public static void main(String[] args) {
		List<String> names = new ArrayList<String>();
		List<Integer> ages = new ArrayList<Integer>();
		List<Number> numbers = new ArrayList<Number>();

		names.add("一一哥");
		names.add("秦始皇");
		ages.add(28);
		ages.add(50);
		ages.add(28);
		numbers.add(100);
		numbers.add(800);
		
		//String等非Number類型就不行
		//printElementUpbound(names);
		
		//泛型值只能是Number及其子類類型,所以Integer/Double/Float等類型都可以，但String就不行
		printElementUpbound(ages);
		printElementUpbound(numbers);
	}

	//上限通配符的使用，這裡的泛型值只能是Number及其子類類型
	public static void printElementUpbound(List<? extends Number> data) {
		for(int i=0;i<data.size();i++) {
			//data.getClass().getSimpleName():用於獲取某個類的類名
			System.out.println(data.getClass().getSimpleName()+"--data: " + data.get(i));
		}
	}
}

在這個例子中，printElementUpbound方法中的集合泛型，可以是Number類或其子類，除此之外的其他類型都不行。也就是說，我們只能使用Number或其子類作為類型參數，泛型類型的上限是Number，這就是上限通配符的含義。

6. 下限通配符(? super T)

下限通配符(？super T)是一種表示類型下限的通配符，其中T是一個類或介面。它指定了可以使用的類型下限，主要用於限制輸出的參數類型。下麵是一個簡單的例子：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Demo07 {

	public static void main(String[] args) {
		List<String> names = new ArrayList<String>();
		List<Integer> ages = new ArrayList<Integer>();
		List<Double> numbers = new ArrayList<Double>();

		names.add("一一哥");
		names.add("秦始皇");
		ages.add(28);
		ages.add(50);
		ages.add(28);
		numbers.add(100.0);
		numbers.add(800.9);
		
		//String等非Number類型就不行
		//printElementUpbound(names);
		
		//此時Double類型也不行
		//printElementDownbound(numbers);
		
		//泛型值只能是Integer及其父類類型,所以Double/Float/String等類型都不可以
		printElementDownbound(ages);
		
	}

	//下限通配符的使用，這裡的泛型值只能是Integer及其父類類型
	public static void printElementDownbound(List<? super Integer> data) {
		for(int i=0;i<data.size();i++) {
			System.out.println(data.getClass().getSimpleName()+"--data: " + data.get(i));
		}
	}
}

在這個例子中，printElementDownbound方法中的集合泛型，可以是Integer或其父類型，即類型下限是Integer，除此之外的其他類型都不行。也就是說，我們只能使用Integer或其父類作為類型參數，泛型類型的下限是Integer，這就是下限通配符的含義。

7. <? extends T>和<? super T>的區別

在這裡，要給大家再總結一下<? extends T>和<? super T>的區別：

  • <? extends T> 允許調用 T get()這樣的 讀方法來獲取 T對象 的引用，但不允許調用 set(T)這樣的 寫方法來傳入 T 的引用(傳入 null 除外)；
  • <? super T> 允許調用 set(T)這樣的 寫方法傳入 T對象 的引用，但不允許調用 T get()這樣的 讀方法來獲取 T對象 的引用(獲取 Object 除外)。
  • 即 <? extends T> 允許讀不允許寫， <? super T> 允許寫不允許讀。

大家註意，無論是未限定通配符、上限通配符還是下限通配符，我們既可以在方法中使用，也可以在類或介面中使用。

三. 泛型擦除

我們在學習泛型時，除了要掌握上面這些泛型類、泛型介面、泛型方法以及通配符等內容之外，還要學習泛型擦除的相關內容。那麼什麼是泛型擦除呢？我們繼續往下學習吧。

1. 簡介

所謂的泛型擦除(Type Erasure)，就是指在編譯時，JVM編譯器會將所有的泛型信息都擦除掉，變成原始類型，一般是將泛型的類型參數替換成具體類型的上限或下限(如果沒有指定上界，則預設為Object)。

換句話說，雖然我們在代碼中使用了泛型，但在編譯後，所有的泛型類型都會被擦除掉，轉而使用其對應的原始類型。這就是Java泛型的底層實現原理。這樣設計的目的是為了相容舊的JDK版本，使得Java具有了較好的向後相容性，舊的非泛型代碼可以直接使用泛型類庫，而不需要進行任何修改。同時，Java也提供了反射機制來操作泛型類型，使得泛型類型在某些情況下還是可以被獲取到的，所以即使有泛型擦除，仍然也不會太影響Java虛擬機的運行時效率。

比如，在我們定義一個泛型類時，我們會使用泛型類型參數來代替具體的類型，好比下麵這個例子：
在這裡插入圖片描述

2. 泛型擦除帶來的限制

在編譯之後，這個泛型類的類型參數T就會被擦除，成為其對應的原始類型Object。

這也意味著，我們無法在運行時獲取到泛型的實際類型參數，所以泛型擦除的使用會有一些限制。首先由於泛型類型參數被擦除了，因此我們在運行時就無法獲得泛型類型參數的信息。例如，如果我們有一個List類型的變數，在運行時我們就無法獲得這個List集合中的元素類型是Integer。另一個限制是在使用泛型類型時，還需要註意類型安全性。在編譯階段，編譯器會檢查泛型類型的類型安全性；但在運行階段，由於泛型類型參數被擦除了，因此就無法保證類型安全性了。泛型擦除的限制，主要表現在以下幾個方面：

無法使用基本類型實例化類型參數；

無法在運行時獲取泛型類型信息；

泛型類型參數不能用於靜態變數或靜態方法；

不能實例化T類型。

接下來再給大傢具體分析一下這些限制

2.1 無法使用基本類型實例化類型參數

Java泛型中的類型參數不能是基本類型，只能是類或介面類型。例如，以下代碼在編譯階段會出錯，無法通過編譯：

List<int> list = new ArrayList<int>();

正確的寫法是使用基本類型對應的包裝類型，如下所示：

List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();

2.2 無法在運行時獲取泛型類型信息

由於泛型擦除的存在，導致我們在程式運行時無法獲取泛型類型的信息。例如，以下代碼在運行時就無法獲取List的元素類型：

List<String> list = new ArrayList<String>(); 
Class<?> clazz = list.getClass(); 
Type type = clazz.getGenericSuperclass(); 
// 輸出：class java.util.ArrayList<E>
System.out.println(type);

在輸出的結果中，我們只能得到ArrayList的類型信息，而無法獲取到集合中具體的泛型類型信息，也就是獲取不到String的信息。但如果我們就是想在運行時獲取到泛型的實際類型參數，其實可以參考以下方式進行實現：

public class Box<T> {
    private T content;

    public Box(T content) {
        this.content = content;
    }

    public T getContent() {
        return content;
    }

    public void setContent(T content) {
        this.content = content;
    }

    public Class<?> getContentType() {
        return content.getClass();
    }
}

在上面的代碼中，我們新增了一個方法 getContentType()，該方法用於返回泛型類型參數的實際位元組碼類型，以後我們通過調用這個方法，就可以間接地獲取到泛型類型的信息了。

2.3 泛型類型參數不能用於靜態變數或靜態方法

由於泛型類型參數是在實例化對象時才被確定的，因此不能在靜態變數或靜態方法中使用泛型類型參數。例如，以下代碼是無法編譯通過的：

public class MyClass<T> {   
    //這樣的代碼編譯不通過
    private static T value;   
    
    public static void setValue(T value) {        
        MyClass.value = value;     
    } 
}

正確的寫法是使用一個實際類型來代替泛型類型參數：

public class MyClass {     
    private static String value;          
    public static void setValue(String value) {         
        MyClass.value = value;     
    } 
}

2.4 不能實例化T類型

比如在下麵的案例中：

public class MyClass<T> {
    private T first;
    private T last;
    
    public MyClass() {
        first = new T();
        last = new T();
    }
}

上述代碼無法通過編譯，因為構造方法的兩行語句：

first = new T(); 
last = new T();

擦拭後實際上變成了：

first = new Object(); 
last = new Object();

這樣一來，創建new MyClass<String>()和創建new MyClass<Integer>()就變成了Object，編譯器會阻止這種類型不對的代碼。如果我們想對泛型T進行實例化，需要藉助Class< T >參數並集合反射技術來實現，且在使用時也必須傳入Class< T >。

四. 結語

不過，儘管泛型擦除有一些限制，但泛型仍然不失為一種強大的編程工具，它可以提高代碼的可讀性和可維護性。通過合理地使用泛型，我們可以在編譯時進行類型檢查，避免類型轉換的錯誤和運行時異常，從而提高了代碼的安全性和可靠性。同時，我們也需要瞭解Java泛型擦除的限制，以便在實際應用中做出正確的決策。

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