Java泛型講解-java教程-PHP中文網

　引言

　　泛型是Java中一個非常重要的知識點，在Java集合類別框架中廣泛應用。本文我們將從零開始來看Java泛型的設計，將會涉及通配符處理，以及讓人苦惱的類型擦除。

# 　泛型基礎

　　泛型類別

# 　　我們先定義一個簡單的Box類別：

public class Box {
    private String object;
    public void set(String object) { this.object = object; }
    public String get() { return object; }
}

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這是最常見的做法，這樣做的一個壞處是Box裡面現在只能裝入String類型的元素，今後如果我們需要裝入Integer等其他類型的元素，還必須要另外重寫一個Box，程式碼得不到復用，使用泛型可以很好的解決這個問題。

public class Box<T> {
    // T stands for "Type"
    private T t;
    public void set(T t) { this.t = t; }
    public T get() { return t; }
}

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　　這樣我們的Box類別便可以重複使用，我們可以將T替換成任何我們想要的類型：

Box<Integer> integerBox = new Box<Integer>();
Box<Double> doubleBox = new Box<Double>();
Box<String> stringBox = new Box<String>();

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　　泛型方法

# 　　看完了泛型類，接下來我們來了解一下泛型方法。宣告一個泛型方法很簡單，只要在回傳型別前面加上一個類似的形式就行了：

public class Util {
    public static <K, V> boolean compare(Pair<K, V> p1, Pair<K, V> p2) {
        return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
               p1.getValue().equals(p2.getValue());
    }
}
public class Pair<K, V> {
    private K key;
    private V value;
    public Pair(K key, V value) {
        this.key = key;
        this.value = value;
    }
    public void setKey(K key) { this.key = key; }
    public void setValue(V value) { this.value = value; }
    public K getKey()   { return key; }
    public V getValue() { return value; }
}

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　　我們可以像下面這樣去呼叫泛型方法：

Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.<Integer, String>compare(p1, p2);

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　　或在Java1.7/1.8利用type inference，讓Java自動推導出對應的型別參數：

Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.compare(p1, p2);

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　　邊界符號

# 　　現在我們要實作這樣一個功能，找出一個泛型陣列中大於某個特定元素的個數，我們可以這樣實作：

public static <T> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
    int count = 0;
    for (T e : anArray)
        if (e > elem)  // compiler error
            ++count;
    return count;
}

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但是這樣很明顯是錯誤的，因為除了short, int, double, long, float, byte, char等原始類型，其他的類別並不一定能使用運算符>，所以編譯器報錯，那怎麼解決這個問題呢？答案是使用邊界符。

public interface Comparable<T> {
    public int compareTo(T o);
}

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　　做一個類似下面這樣的聲明，這樣就等於告訴編譯器類型參數T代表的都是實作了Comparable介面的類，這樣等於告訴編譯器它們都至少實作了compareTo方法。

public static <T extends Comparable<T>> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
    int count = 0;
    for (T e : anArray)
        if (e.compareTo(elem) > 0)
            ++count;
    return count;
}

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　通配符

　　在了解通配符之前，我們首先必須澄清一個概念，還是藉用我們上面定義的Box類，假設我們添加一個這樣的方法：

public void boxTest(Box<Number> n) { /* ... */ }

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　　那麼現在Box n允許接受什麼類型的參數？我們是否能夠傳入Box或Box呢？答案是否定的，雖然Integer和Double是Number的子類，但是在泛型中Box或者Box與Box之間並沒有任何的關係。這一點非常重要，接下來我們透過一個完整的例子來加深理解。

　　首先我們先定義幾個簡單的類，下面我們將用到它：

class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}
class Orange extends Fruit {}

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在下面這個範例中，我們建立了一個泛型類別Reader，然後在f1()中當我們嘗試Fruit f = fruitReader.readExact(apples);編譯器會報錯，因為List與List之間並沒有任何的關係。

public class GenericReading {
    static List<Apple> apples = Arrays.asList(new Apple());
    static List<Fruit> fruit = Arrays.asList(new Fruit());
    static class Reader<T> {
        T readExact(List<T> list) {
            return list.get(0);
        }
    }
    static void f1() {
        Reader<Fruit> fruitReader = new Reader<Fruit>();
        // Errors: List<Fruit> cannot be applied to List<Apple>.
        // Fruit f = fruitReader.readExact(apples);
    }
    public static void main(String[] args) {
        f1();
    }
}

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　　但是按照我們通常的思維習慣，Apple和Fruit之間肯定是存在聯繫，然而編譯器卻無法識別，那怎麼在泛型程式碼中解決這個問題呢？我們可以透過使用通配符來解決這個問題：

static class CovariantReader<T> {
    T readCovariant(List<? extends T> list) {
        return list.get(0);
    }
}
static void f2() {
    CovariantReader<Fruit> fruitReader = new CovariantReader<Fruit>();
    Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);
    Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);
}
public static void main(String[] args) {
    f2();
}

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　　這樣就相當與告訴編譯器， fruitReader的readCovariant方法接受的參數只要是滿足Fruit的子類就行(包括Fruit自身)，這樣子類和父類之間的關係也就關聯上了。

　　PECS原則

# 　　上面我們看到了類似的用法，利用它我們可以從list裡面get元素，那麼我們可不可以往list裡面add元素呢？讓我們來試試看：

public class GenericsAndCovariance {
    public static void main(String[] args) {
        // Wildcards allow covariance:
        List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
        // Compile Error: can&#39;t add any type of object:
        // flist.add(new Apple())
        // flist.add(new Orange())
        // flist.add(new Fruit())
        // flist.add(new Object())
        flist.add(null); // Legal but uninteresting
        // We Know that it returns at least Fruit:
        Fruit f = flist.get(0);
    }
}

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　　答案是否定，Java編譯器不允許我們這麼做，為什麼呢？對於這個問題我們不妨從編譯器的角度去考慮。因為List flist它本身可以有多種意義：

List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Fruit>();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Orange>();

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當我們嘗試add一個Apple的時候，flist可能指向new ArrayList();
當我們嘗試add一個Orange的時候，flist可能指向new ArrayList();
當我們嘗試add一個Fruit的時候，這個Fruit可以是任何類型的Fruit，而flist可能只想某種特定類型的Fruit，編譯器無法辨識所以會報錯。

　　所以對於實現了的集合類別只能將它視為Producer向外提供(get)元素，而不能作為Consumer來對外獲取(add)元素。

　　如果我們要add元素該怎麼做呢？可以使用：

public class GenericWriting {
    static List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>();
    static List<Fruit> fruit = new ArrayList<Fruit>();
    static <T> void writeExact(List<T> list, T item) {
        list.add(item);
    }
    static void f1() {
        writeExact(apples, new Apple());
        writeExact(fruit, new Apple());
    }
    static <T> void writeWithWildcard(List<? super T> list, T item) {
        list.add(item)
    }
    static void f2() {
        writeWithWildcard(apples, new Apple());
        writeWithWildcard(fruit, new Apple());
    }
    public static void main(String[] args) {
        f1(); f2();
    }
}

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　　这样我们可以往容器里面添加元素了，但是使用super的坏处是以后不能get容器里面的元素了，原因很简单，我们继续从编译器的角度考虑这个问题，对于List list，它可以有下面几种含义：

List<? super Apple> list = new ArrayList<Apple>();
List<? super Apple> list = new ArrayList<Fruit>();
List<? super Apple> list = new ArrayList<Object>();

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　　当我们尝试通过list来get一个Apple的时候，可能会get得到一个Fruit，这个Fruit可以是Orange等其他类型的Fruit。

　　根据上面的例子，我们可以总结出一条规律，”Producer Extends, Consumer Super”：

“Producer Extends” – 如果你需要一个只读List，用它来produce T，那么使用? extends T。
“Consumer Super” – 如果你需要一个只写List，用它来consume T，那么使用? super T。
如果需要同时读取以及写入，那么我们就不能使用通配符了。

　　如何阅读过一些Java集合类的源码，可以发现通常我们会将两者结合起来一起用，比如像下面这样：

public class Collections {
    public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
        for (int i=0; i<src.size(); i++)
            dest.set(i, src.get(i));
    }
}

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　类型擦除

　　Java泛型中最令人苦恼的地方或许就是类型擦除了，特别是对于有C++经验的程序员。类型擦除就是说Java泛型只能用于在编译期间的静态类型检查，然后编译器生成的代码会擦除相应的类型信息，这样到了运行期间实际上JVM根本就知道泛型所代表的具体类型。这样做的目的是因为Java泛型是1.5之后才被引入的，为了保持向下的兼容性，所以只能做类型擦除来兼容以前的非泛型代码。对于这一点，如果阅读Java集合框架的源码，可以发现有些类其实并不支持泛型。

　　说了这么多，那么泛型擦除到底是什么意思呢？我们先来看一下下面这个简单的例子：

public class Node<T> {
    private T data;
    private Node<T> next;
    public Node(T data, Node<T> next) }
        this.data = data;
        this.next = next;
    }
    public T getData() { return data; }
    // ...
}

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　　编译器做完相应的类型检查之后，实际上到了运行期间上面这段代码实际上将转换成：

public class Node {
    private Object data;
    private Node next;
    public Node(Object data, Node next) {
        this.data = data;
        this.next = next;
    }
    public Object getData() { return data; }
    // ...
}

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　　这意味着不管我们声明Node还是Node，到了运行期间，JVM统统视为Node