泛型

自定义泛型

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

    public MyArrayList(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];
    }

    // <T>表示泛型方法
    // T[]表示方法返回类型
    // T[] a 表示方法参数类型
    public <T> T[] toArray(T[] a) {
        return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
    }
}

• Pair类

class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;

    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }

    public T getFirst() {
        return first;
    }

    public T getLast() {
        return last;
    }

    public void setFirst(T first) {
        this.first = first;
    }

    public void setLast(T last) {
        this.last = last;
    }
}

泛型擦除

• 泛型信息只存在于代码编译阶段，在生成的字节码中是不包含泛型中的类型信息的，使用泛型的时候加上类型参数，在编译器编译的时候会去掉，这个过程为类型擦除

• Java的泛型是由编译器在编译时实行的，编译器内部永远把所有类型T视为Object处理，但是，在需要转型的时候，编译器会根据T的类型自动为我们实行安全地强制转型

• 编译器看到的代码

public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() {
        return first;
    }
    public T getLast() {
        return last;
    }
}

Pair<String> p = new Pair<>("Hello", "world");
String first = p.getFirst();
String last = p.getLast();

• 虚拟机执行的代码

public class Pair {
    private Object first;
    private Object last;
    public Pair(Object first, Object last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public Object getFirst() {
        return first;
    }
    public Object getLast() {
        return last;
    }
}

Pair p = new Pair("Hello", "world");
String first = (String) p.getFirst();
String last = (String) p.getLast();

• 泛型擦除导致编译器把类型<T>视为Object；编译器根据<T>实现安全的强制转型

java泛型局限性

1. <T>不能是基本类型，例如int，因为实际类型是Object，Object类型无法持有基本类型

Pair<int> p = new Pair<>(1, 2); // compile error!

2. 无法取得带泛型的Class，例如：Pair<String>.class；

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        Pair<String> p1 = new Pair<>("Hello", "world");
        Pair<Integer> p2 = new Pair<>(123, 456);
        // 对Pair<String>和Pair<Integer>类型获取Class时，获取到的是同一个Class，也就是Pair类的Class
        Class c1 = p1.getClass();
        Class c2 = p2.getClass();
        // class test.genericTypeTest.Pair
        System.out.println(c1);
        System.out.println(c1 == c2); // true
        System.out.println(c1 == Pair.class); // true
        // 无论T的类型是什么，getClass()返回同一个Class实例，因为编译后它们全部都是Pair<Object>
    }
}

3. 无法判断带泛型的类型，例如：x instanceof Pair<String>；

Pair<Integer> p = new Pair<>(123, 456);
// Compile error:
if (p instanceof Pair<String>) {
}

• 并不存在Pair<String>.class，而是只有唯一的Pair.class

4. 不能实例化T类型，例如：new T()。

public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;

    public Pair() {
        // Compile error:
        first = new T();
        last = new T();
        // 擦除后会变成
        // first = new Object();
		// last = new Object();
        // 创建new Pair<String>()和创建new Pair<Integer>()就全部成了Object
    }
}

• 如何实例化T类型

class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;

    // 借助Class<T>参数并通过反射来实例化T类型，使用的时候，也必须传入Class<T>。
    // Pair<String> pair = new Pair<>(String.class);
    public Pair(Class<T> clazz) throws InstantiationException, IllegalAccessException {
        first = clazz.newInstance();
        last = clazz.newInstance();
    }
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
    ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
    list.add(6);

    //反射机制实现
    Class<? extends ArrayList> clazz = list.getClass();
    Method add = clazz.getDeclaredMethod("add", Object.class);
    add.invoke(list, "哈哈哈");
    System.out.println("list = " + list);
}

泛型继承

• 无法获取Pair<T>的T类型，即给定一个变量Pair<Integer> p，无法从p中获取到Integer类型。
• 但是，在父类是泛型类型的情况下，编译器就必须把类型T（对IntPair来说，也就是Integer类型）保存到子类的class文件中，不然编译器就不知道IntPair只能存取Integer这种类型。在继承了泛型类型的情况下，子类可以获取父类的泛型类型。

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        Class<IntPair> clazz = IntPair.class;
        Type t = clazz.getGenericSuperclass();
        if (t instanceof ParameterizedType) {
            ParameterizedType pt = (ParameterizedType) t;
            // 可能有多个泛型类型
            Type[] types = pt.getActualTypeArguments();
            // 取第一个泛型类型
            Type firstType = types[0];
            Class<?> typeClass = (Class<?>) firstType;
            // Integer
            System.out.println(typeClass);
        }

    }
}

class IntPair extends Pair<Integer> {
    public IntPair(Integer first, Integer last) {
        super(first, last);
    }
}

泛型通配符

常用通配符的含义

• T (Type) 具体的Java类
• E (Element)在集合中使用，因为集合中存放的是元素
• K V (key value) 分别代表java键值中的Key Value
• N （Number）数值类型
• ? 表示不确定的 Java 类型

上界通配符< ? extends E>

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 传入的类型是Pair<Number>，实际参数类型是(Integer, Integer)
        int sum = add(new Pair<Number>(1, 2));

        // 既然实际参数是Integer类型，试试传入Pair<Integer>
        Pair<Integer> p = new Pair<>(123, 456);
        // 编译错误
        sum = add(p);
        // Pair<Integer>不是Pair<Number>的子类，因此，add(Pair<Number>)不接受参数类型Pair<Integer>。
        
    }

    static int add(Pair<Number> p) {
        // 从add()方法的代码可知，传入Pair<Integer>是完全符合内部代码的类型规范
        // 实际类型是Integer，引用类型是Number，没有问题。问题在于方法参数类型定死了只能传入Pair<Number>
        Number first = p.getFirst();
        Number last = p.getLast();
        return first.intValue() + last.intValue();
    }
}

• 修改后

// 把泛型类型T的上界限定在Number了
// 除了可以传入Pair<Integer>类型，我们还可以传入Pair<Double>类型，Pair<BigDecimal>类型等等，因为Double和BigDecimal都是Number的子类。
static int add(Pair<? extends Number> p) {
    // 实际的方法签名变成<? extends Number> getFirst();
    // 即返回值是Number或Number的子类，因此，可以安全赋值给Number类型的变量
    Number first = p.getFirst();
    Number last = p.getLast();
    return first.intValue() + last.intValue();
}

• 之后就不能预测实际类型就是Integer，因为实际的返回类型可能是Integer，也可能是Double或者其他类型，编译器只能确定类型一定是Number的子类（包括Number类型本身），但具体类型无法确定。

// 报错
Integer x = p.getFirst();

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        Pair<Integer> p = new Pair<>(123, 456);
        int n = add(p);
        System.out.println(n);
    }

    static int add(Pair<? extends Number> p) {
        Number first = p.getFirst();
        Number last = p.getLast();
        // 编译出错
        // 方法参数签名setFirst(? extends Number)无法传递任何Number的子类型给setFirst(? extends Number)。除了null
        p.setFirst(new Integer(first.intValue() + 100));
        p.setLast(new Integer(last.intValue() + 100));
        // 如果我们传入的p是Pair<Double>，显然它满足参数定义Pair<? extends Number>，然而，Pair<Double>的setFirst()显然无法接受Integer类型。
        return p.getFirst().intValue() + p.getFirst().intValue();
    }

}

• java.util.List<T>接口

public interface List<T> {
    int size(); // 获取个数
    T get(int index); // 根据索引获取指定元素
    void add(T t); // 添加一个新元素
    void remove(T t); // 删除一个已有元素
}

// 从方法内部代码看，传入List<? extends Integer>或者List<Integer>是完全一样的
int sumOfList(List<? extends Integer> list) {
    int sum = 0;
    for (int i=0; i<list.size(); i++) {
        Integer n = list.get(i);
        sum = sum + n;
    }
    return sum;
}

• List<? extends Integer>的限制
  • 允许调用get()方法获取Integer的引用；
  • 不允许调用set(? extends Integer)方法并传入任何Integer的引用（null除外）。
• 因此，方法参数类型List<? extends Integer>表明了该方法内部只会读取List的元素，不会修改List的元素（因为无法调用add(? extends Integer)、remove(? extends Integer)这些方法。换句话说，这是一个对参数List<? extends Integer>进行只读的方法（恶意调用set(null)除外）。

下界通配符< ? super E>

// 传入Pair<Integer>是允许的，但是传入Pair<Number>是不允许的
void set(Pair<Integer> p, Integer first, Integer last) {
    p.setFirst(first);
    p.setLast(last);
}

• 这次，我们希望接受Pair<Integer>类型，以及Pair<Number>、Pair<Object>，因为Number和Object是Integer的父类，setFirst(Number)和setFirst(Object)实际上允许接受Integer类型。

// 使用super通配符来改写这个方法
// Pair<? super Integer>表示，方法参数接受所有泛型类型为Integer或Integer父类的Pair类型
void set(Pair<? super Integer> p, Integer first, Integer last) {
    p.setFirst(first);
    p.setLast(last);
}

• 考察Pair<? super Integer>的setFirst()方法，它的方法签名实际上是：

void setFirst(? super Integer);

• 考察Pair<? super Integer>的getFirst()方法，它的方法签名实际上是：

? super Integer getFirst();

// 无法通过编译
Integer x = p.getFirst();
// 唯一可以接收getFirst()方法返回值的是Object类型
Object obj = p.getFirst();

• 使用<? super Integer>通配符表示：

  • 允许调用set(? super Integer)方法传入Integer的引用；

  • 不允许调用get()方法获得Integer的引用。除了Object o = p.getFirst()

​ 使用<? super Integer>通配符作为方法参数，表示方法内部代码对于参数只能写，不能读

• 对比extends和super：

  • <? extends T>允许调用读方法T get()获取T的引用，但不允许调用写方法set(T)传入T的引用（传入null除外）；

  • <? super T>允许调用写方法set(T)传入T的引用，但不允许调用读方法T get()获取T的引用（获取Object除外）。

无限定通配符

• <?>通配符既没有extends，也没有super，因此：

  • 不允许调用set(T)方法并传入引用（null除外）；

  • 不允许调用T get()方法并获取T引用（只能获取Object引用）。

  • 既不能读，也不能写，那只能做一些null判断

static boolean isNull(Pair<?> p) {
    return p.getFirst() == null || p.getLast() == null;
}

• Pair<?>是所有Pair<T>的超类

PECS原则

• 如果需要返回T，它是生产者（Producer），要使用extends通配符；如果需要写入T，它是消费者（Consumer），要使用super通配符。

// PECS原则:生产者(Producer)使用extends,消费者(Consumer)使用super
class PESC {
    ArrayList<? extends Animal> exdentAnimal;
    ArrayList<? super Animal> superAnimal;
    Dog dog = new Dog("小黑", "黑色");

    private void test() {
        //正确
        Animal a1 = exdentAnimal.get(0);
        //错误
        // Animal a2 = superAnimal.get(0);

        //错误
        // exdentAnimal.add(dog);
        //正确
        superAnimal.add(dog);
    }
}

• Collections类的copy

public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
    int srcSize = src.size();
    if (srcSize > dest.size())
        throw new IndexOutOfBoundsException("Source does not fit in dest");

    if (srcSize < COPY_THRESHOLD ||
            (src instanceof RandomAccess && dest instanceof RandomAccess)) {
        // 对于类型<? extends T>的变量src，我们可以安全地获取类型T的引用，而对于类型<? super T>的变量dest，我们可以安全地传入T的引用
        for (int i = 0; i < srcSize; i++)
            dest.set(i, src.get(i));
    } else {
        ListIterator<? super T> di = dest.listIterator();
        ListIterator<? extends T> si = src.listIterator();
        for (int i = 0; i < srcSize; i++) {
            di.next();
            di.set(si.next());
        }
    }
}

• copy()方法内部不会读取dest，因为不能调用dest.get()来获取T的引用；
• copy()方法内部也不会修改src，因为不能调用src.add(T)。
• 如果在方法代码中意外修改了src，或者意外读取了dest，就会导致一个编译错误

总结

1. 使用类似<? extends Number>通配符作为方法参数时表示：

   • 方法内部可以调用获取Number引用的方法，例如：Number n = obj.getFirst();；

   • 方法内部无法调用传入Number引用的方法（null除外），例如：obj.setFirst(Number n);。

   • 即使用extends通配符表示可以读，不能写。

2. 使用类似<T extends Number>定义泛型类时表示：

   • 泛型类型限定为Number以及Number的子类。

3. 使用类似<? super Integer>通配符作为方法参数时表示：

   • 方法内部可以调用传入Integer引用的方法，例如：obj.setFirst(Integer n);；

   • 方法内部无法调用获取Integer引用的方法（Object除外），例如：Integer n = obj.getFirst();。

   • 即使用super通配符表示只能写不能读。

• 只用于读功能时，泛型结构使用<? extends T>
• 只用于写功能时，泛型结构使用<? super T>
• 如果既用于写，又用于读操作，那么直接使用
• 如果操作与泛型类型无关，那么使用<?>
• ？类型不确定和Object作用差不多,好多场景下可以通用，但？可以缩小泛型的范围，如：List<? extends Animal>，指定了范围只能是Animal的子类，但是用List<Object>,没法做到缩小范围