Java之泛型

一、为什么需要泛型

通过两段代码我们就可以知道为何我们需要泛型

实际开发中，经常有数值类型求和的需求，例如实现int类型的加法, 有时候还需要实现long类型的求和, 如果还需要double类型的求和，需要重新在重载一个输入是double类型的add方法

   private int addInt(int x,int y){
        return x+y;
    }

   private float addFloat(float x,float y){
       return x + y;
   }    
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定义了一个List类型的集合，先向其中加入了两个字符串类型的值，随后加入一个Integer类型的值。这是完全允许的，因为此时list默认的类型为Object类型。在之后的循环中，由于忘记了之前在list中也加入了Integer类型的值或其他编码原因，很容易出现类似于//1中的错误。因为编译阶段正常，而运行时会出现“java.lang.ClassCastException”异常。因此，导致此类错误编码过程中不易发现。

        list.add("test1");
        list.add("test2");
        list.add(100);

        for (int i = 0; i < list1.size(); i++) {
            String name = (String) list1.get(i); // 1
            System.out.println("name1:" + name);
        }
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在如上的编码过程中，我们发现主要存在两个问题：

1. 当我们将一个对象放入集合中，集合不会记住此对象的类型，当再次从集合中取出此对象时，改对象的编译类型变成了Object类型，但其运行时类型任然为其本身类型。
2. 因此，//1处取出集合元素时需要人为的强制类型转化到具体的目标类型，且很容易出现“java.lang.ClassCastException”异常

所以泛型的好处就是

• 适用于多种数据类型执行相同的代码
• 泛型中的类型在使用时指定，不需要强制类型转换

二、何为泛型

泛型，即“参数化类型”。一提到参数，最熟悉的就是定义方法时有形参，然后调用此方法时传递实参。那么参数化类型怎么理解呢？
顾名思义，就是将类型由原来的具体的类型参数化，类似于方法中的变量参数，此时类型也定义成参数形式（可以称之为类型形参），然后在使用/调用时传入具体的类型（类型实参）。
泛型的本质是为了参数化类型（在不创建新的类型的情况下，通过泛型指定的不同类型来控制形参具体限制的类型）。也就是说在泛型使用过程中，操作的数据类型被指定为一个参数，这种参数类型可以用在类、接口和方法中，分别被称为泛型类、泛型接口、泛型方法。

二、泛型类与泛型接口

引入一个类型变量T（其他大写字母都可以，不过常用的就是T，E，K，V等等），并且用<>括起来，并放在类名的后面。泛型类是允许有多个类型变量的。

public class NormalGeneric<T> {
    private T data;

  private T getData(){
      return data;
  }

  private void setData(T t){
      data = t;
  }
}

public class NormalGeneric1<T, K> {
    private T data;
    private K result;

    private T getData() {
        return data;
    }

    private void setData(T t) {
        data = t;
    }

    public K getResult() {
        return result;
    }

    public void setResult(K result) {
        this.result = result;
    }

}
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泛型接口与泛型类的定义基本相同，而实现泛型接口的类，有两种实现方法：

1. 未传入泛型实参时：

public class ImplGenertor<T> implements Genertor<T> {
    @Override
    public T next() {
        return null;
    }
}
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在new出类的实例时，需要指定具体类型：

   NormalGeneric<String> normalGeneric = new NormalGeneric<>();
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2. 传入泛型实参

public class ImplGenertor2 implements Genertor<String> {
    @Override
    public String next() {
        return null;
    }
}

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在new出类的实例时，和普通的类没区别。

三、泛型方法

泛型方法，是在调用方法的时候指明泛型的具体类型 ，泛型方法可以在任何地方和任何场景中使用，包括普通类和泛型类。注意泛型类中定义的普通方法和泛型方法的区别。

Public 与 返回值之间的必不可少，这表明这是一个泛型方法，并且声明了一个泛型的T，这个T可以出现在这个泛型方法的任意位置，泛型的梳理也可以为任意多个

泛型方法

public class GenericMethod {
    private <T> T test(T...a){
        return a[a.length/2];
    }
    public static void main(String[] args){
       GenericMethod method = new GenericMethod();
       System.out.println(method.test("test1","test2","test3","test4"));
    }
}
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普通方法：

public class NormalGeneric<T> {
    private T data;

//泛型类里面的普通方法
  private T getData(){
      return data;
  }

  private void setData(T t){
      data = t;
  }
}
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四、限定类型变量

有时候，我们需要对类型变量加以约束，比如计算两个变量的最小，最大值。

    public static <T> T min(T a,T b){
        if(a.comapareTo(b)>0) return a; else return b;
    }
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请问，如果确保传入的两个变量一定有compareTo方法？那么解决这个问题的方案就是将T限制为实现了接口Comparable的类

    public static <T extends ArrayList&Comparable> T min(T a, T b){
        if(a.compareTo(b)>0) return a; else return b;
    }
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T extends Comparable中
T表示应该绑定类型的子类型，Comparable表示绑定类型，子类型和绑定类型可以是类也可以是接口。
如果这个时候，我们试图传入一个没有实现接口Comparable的类的实例，将会发生编译错误。
同时extends左右都允许有多个，如 T,V extends Comparable & Serializable
注意限定类型中，只允许有一个类，而且如果有类，这个类必须是限定列表的第一个。
这种类的限定既可以用在泛型方法上也可以用在泛型类上

###五、泛型中的约束和局限性
我们有泛型类

public class NormalGeneric<T> {
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• 不能用基本类型实例化泛型参数

//      NormalGeneric<double> normalGeneric = new NormalGeneric<>();
        NormalGeneric<Double> normalGeneric = new NormalGeneric<>();
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• 运行时类型查询只适用于原始类型

        NormalGeneric<Double> normalGeneric = new NormalGeneric<>();
//        if(normalGeneric instanceof  NormalGeneric<Double>)
//        if(normalGeneric instanceof  NormalGeneric<T>)
        NormalGeneric<String> stringGeneric = new NormalGeneric<>();
        System.out.println(normalGeneric.getClass() == stringGeneric.getClass());
        System.out.println(normalGeneric.getClass().getName());
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• 泛型类的静态上下文中类型变量失效

    //静态域或者方法里不能引用类型变量
    private static T instance;
    //静态方法 本身是泛型方法就行
    private static <T> T getInstance(){
    }
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不能在静态域或方法中引用类型变量。因为泛型是要在对象创建的时候才知道是什么类型的，而对象创建的代码执行先后顺序是static的部分，然后才是构造函数等等。所以在对象初始化之前static的部分已经执行了，如果你在静态部分引用的泛型，那么毫无疑问虚拟机根本不知道是什么东西，因为这个时候类还没有初始化。

• 不能创建参数化类型的数组

  Restrict<Double>[] restrictArray;
  Restrict<Double>[] restricts = new Restrict<Double>[10];
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• 不能实例化类型变量

//    public Restrict() {
//        this.data = new T();
//    }
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• 不能捕获泛型类的实例

public class ExceptionRestrict {

    /*泛型类不能extends Exception/Throwable*/
    //private class Problem<T> extends Exception;

    /*不能捕获泛型类对象*/
//    public <T extends Throwable> void doWork(T x){
//        try{
//
//        }catch(T x){
//            //do sth;
//        }
//    }

/*可以这样写*/
    public <T extends Throwable> void doWorkSuccess(T x) throws T{
        try{

        }catch(Throwable e){
            throw x;
        }
    }
}

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五、泛型类型的继承规则

现在我们有一个类和子类

public class Employee {

public class Worker extends Employee {
}

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有一个泛型类

public class Pair<T> 
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Pair和Pair不是继承关系

但是泛型类可以继承或者扩展其他泛型类，比如List和ArrayList

    private static class ExtendPair<T> extends Pair<T>{

    }
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六、泛型通配符

正是因为前面所述的，Pair和Pair没有任何关系，如果我们有一个泛型类和一个方法

 public static void print(GenericType<Fruit> p){
        System.out.println(p.getData().getColor());
    }
    
  //泛型类
  public class GenericType<T> {
    private T data;

    public T getData() {
        return data;
    }

    public void setData(T data) {
        this.data = data;
    }
}

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现在我们有继承关系的类

public class Food {
}
public class Fruit extends Food {
}
public class Apple extends Fruit {
}
public class HongFuShi extends Apple {
}

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则会产生这种情况：

 public static void print(GenericType<Fruit> p){
        System.out.println(p.getData().getColor());
    }

    public static void use(){
       GenericType<Fruit> a = new GenericType<>();
        print(a);
       GenericType<Orange> b = new GenericType<>();
        //print(b);
    }
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为解决这个问题，于是提出了一个通配符类型 ?
有两种使用方式：
？ extends X 表示类型的上界，类型参数是X的子类
？ super X 表示类型的下界，类型参数是X的超类
这两种 方式从名字上来看，特别是super，很有迷惑性，下面我们来仔细辨析这两种方法。

• ？ extends X

表示传递给方法的参数，必须是X的子类（包括X本身）

    public static void print2(GenericType<? extends Fruit> p){
        System.out.println(p.getData().getColor());
    }

    public static void use2(){
        GenericType<Fruit> a = new GenericType<>();
        print2(a);
        GenericType<Orange> b = new GenericType<>();
        print2(b);
        //print2(new GenericType<Food>());
        GenericType<? extends Fruit> c =  new GenericType<>();

        Apple apple =  new Apple();
        Fruit fruit = new Fruit();
        //c.setData(apple);
        //c.setData(fruit);
        Fruit x = c.getData();
    }
    
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但是对泛型类GenericType来说，如果其中提供了get和set类型参数变量的方法的话，set方法是不允许被调用的，会出现编译错误

        Fruit x = c.getData();
//        c.setData(apple);
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为何？
道理很简单，？ extends X 表示类型的上界，类型参数是X的子类，那么可以肯定的说，get方法返回的一定是个X（不管是X或者X的子类）编译器是可以确定知道的。但是set方法只知道传入的是个X，至于具体是X的那个子类，不知道。
总结：主要用于安全地访问数据，可以访问X及其子类型，并且不能写入非null的数据。

• ？ super X

表示传递给方法的参数，必须是X的超类（包括X本身）

 public static void printSuper(GenericType<? super Apple> p){
        System.out.println(p.getData());
    }

    public static void useSuper(){
        GenericType<Fruit> fruitGenericType = new GenericType<>();
        GenericType<Apple> appleGenericType = new GenericType<>();
        GenericType<HongFuShi> hongFuShiGenericType = new GenericType<>();
        GenericType<Orange> orangeGenericType = new GenericType<>();
        printSuper(fruitGenericType);
        printSuper(appleGenericType);
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但是对泛型类GenericType来说，如果其中提供了get和set类型参数变量的方法的话，set方法可以被调用的，且能传入的参数只能是X或者X的子类

public class GenericType<T> {
    private T data;

    public T getData() {
        return data;
    }

    public void setData(T data) {
        this.data = data;
    }
}

        //表示GenericType的类型参数的下界是Apple
        GenericType<? super Apple> x = new GenericType<>();

        x.setData(new Apple());
        x.setData(new HongFuShi());
//        x.setData(new Fruit());//这样写是不允许的
        Object data = x.getData();
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get方法只会返回一个Object类型的值
？ super X 表示类型的下界，类型参数是X的超类（包括X本身），那么可以肯定的说，get方法返回的一定是个X的超类，那么到底是哪个超类？不知道，但是可以肯定的说，Object一定是它的超类，所以get方法返回Object。编译器是可以确定知道的。对于set方法来说，编译器不知道它需要的确切类型，但是X和X的子类可以安全的转型为X。
总结：主要用于安全地写入数据，可以写入X及其子类型。

• 无限定的通配符

表示对类型没有什么限制，可以把？看成所有类型的父类，如Pair< ?>；
比如：
ArrayList al=new ArrayList(); 指定集合元素只能是T类型
ArrayList al=new ArrayList();集合元素可以是任意类型，这种没有意义，一般是方法中，只是为了说明用法。
在使用上：
？ getFirst() ： 返回值只能赋给 Object，；
void setFirst(?) ： setFirst 方法不能被调用， 甚至不能用 Object 调用；

七、虚拟机是如何实现泛型的

泛型思想早在C++语言的模板（Template）中就开始生根发芽，在Java语言处于还没有出现泛型的版本时，只能通过Object是所有类型的父类和类型强制转换两个特点的配合来实现类型泛化。，由于Java语言里面所有的类型都继承于java.lang.Object，所以Object转型成任何对象都是有可能的。但是也因为有无限的可能性，就只有程序员和运行期的虚拟机才知道这个Object到底是个什么类型的对象。在编译期间，编译器无法检查这个Object的强制转型是否成功，如果仅仅依赖程序员去保障这项操作的正确性，许多ClassCastException的风险就会转嫁到程序运行期之中。
泛型技术在C#和Java之中的使用方式看似相同，但实现上却有着根本性的分歧，C#里面泛型无论在程序源码中、编译后的IL中（Intermediate Language，中间语言，这时候泛型是一个占位符），或是运行期的CLR中，都是切实存在的，List＜int＞与List＜String＞就是两个不同的类型，它们在系统运行期生成，有自己的虚方法表和类型数据，这种实现称为类型膨胀，基于这种方法实现的泛型称为真实泛型。
Java语言中的泛型则不一样，它只在程序源码中存在，在编译后的字节码文件中，就已经替换为原来的原生类型（Raw Type，也称为裸类型）了，并且在相应的地方插入了强制转型代码，因此，对于运行期的Java语言来说，ArrayList＜int＞与ArrayList＜String＞就是同一个类，所以泛型技术实际上是Java语言的一颗语法糖，Java语言中的泛型实现方法称为类型擦除，基于这种方法实现的泛型称为伪泛型。
将一段Java代码编译成Class文件，然后再用字节码反编译工具进行反编译后，将会发现泛型都不见了，程序又变回了Java泛型出现之前的写法，泛型类型都变回了原生类型

由于Java泛型的引入，各种场景（虚拟机解析、反射等）下的方法调用都可能对原有的基础产生影响和新的需求，如在泛型类中如何获取传入的参数化类型等。因此，JCP组织对虚拟机规范做出了相应的修改，引入了诸如Signature、LocalVariableTypeTable等新的属性用于解决伴随泛型而来的参数类型的识别问题，Signature是其中最重要的一项属性，它的作用就是存储一个方法在字节码层面的特征签名[3]，这个属性中保存的参数类型并不是原生类型，而是包括了参数化类型的信息。修改后的虚拟机规范要求所有能识别49.0以上版本的Class文件的虚拟机都要能正确地识别Signature参数。
另外，从Signature属性的出现我们还可以得出结论，擦除法所谓的擦除，仅仅是对方法的Code属性中的字节码进行擦除，实际上元数据中还是保留了泛型信息，这也是我们能通过反射手段取得参数化类型的根本依据。