一文帶你深入了解Java泛型
什么是Java泛型
Java 泛型(generics)是 Jdk 5 中引入的一個(gè)新特性, 泛型提供了編譯時(shí)類型安全檢測(cè)機(jī)制, 該機(jī)制允許程序員在編譯時(shí)檢測(cè)到非法的類型。
比如 ArrayList<String> list= new ArrayList<String>() 這行代碼就指明了該 ArrayList 對(duì)象只能 存儲(chǔ)String類型,如果傳入其他類型的對(duì)象就會(huì)報(bào)錯(cuò)。
讓我們時(shí)光回退到Jdk5的版本,那時(shí)ArrayList內(nèi)部其實(shí)就是一個(gè)Object[] 數(shù)組,配合存儲(chǔ)一個(gè)當(dāng)前分配的長(zhǎng)度,就可以充當(dāng)“可變數(shù)組”:
public class ArrayList {
private Object[] array;
private int size;
public void add(Object e) {...}
public void remove(int index) {...}
public Object get(int index) {...}
}
我們來(lái)舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子,
ArrayList list = new ArrayList();
list.add("test");
list.add(666);
我們本意是用ArrayList來(lái)裝String類型的值,但是突然混進(jìn)去了Integer類型的值,由于ArrayList底層是Object數(shù)組,可以存儲(chǔ)任意的對(duì)象,所以這個(gè)時(shí)候是沒(méi)啥問(wèn)題的,但我們不能只存不用啊,我們需要把值給拿出來(lái)使用,這個(gè)時(shí)候問(wèn)題來(lái)了:
for(Object item: list) {
System.out.println((String)item);
}
結(jié)果:
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: java.lang.Integer cannot be cast to java.lang.String
由于我們需要String類型的值,我們需要把ArrayList的Object值強(qiáng)制轉(zhuǎn)型,但是之前混進(jìn)去了Integer ,雖然編譯階段通過(guò)了,但程序的運(yùn)行結(jié)果會(huì)以崩潰結(jié)束,報(bào)ClassCastException異常
為了解決這個(gè)問(wèn)題,在Jdk 5版本中就引入了泛型的概念,而引入泛型的很大一部分原因就是為了解決我們上述的問(wèn)題,允許程序員在編譯時(shí)檢測(cè)到非法的類型。不是同類型的就不允許在一塊存放,這樣也避免了ClassCastException異常的出現(xiàn),而且因?yàn)槎际峭活愋停簿蜎](méi)必要做強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換了。
我們可以把ArrayList 變量參數(shù)化:
public class ArrayList<T> {
private T[] array;//我們 假設(shè) ArrayList<T>內(nèi)部會(huì)有個(gè)T[] array
private int size;
public void add(T e) {...}
public void remove(int index) {...}
public T get(int index) {...}
}
其中T叫類型參數(shù) ,T可以是任何class類型,現(xiàn)在ArrayList我們可以如下使用:
// 存儲(chǔ)String的ArrayList ArrayList<String> list = new ArrayList<String>(); list.add(666);//編譯器會(huì)在編譯階段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,從而提醒開發(fā)者
泛型其本質(zhì)是參數(shù)化類型,也就是說(shuō)數(shù)據(jù)類型 作為 參數(shù),解決不確定具體對(duì)象類型的問(wèn)題。
泛型的使用
泛型一般有三種使用方式,分別為:泛型類、泛型接口、泛型方法,我們簡(jiǎn)單介紹一下泛型的使用
泛型類
//此處T可以隨便寫為任意標(biāo)識(shí),常見(jiàn)的如T、E、K、V等形式的參數(shù)常用于表示泛型
//在實(shí)例化泛型類時(shí),必須指定T的具體類型
public class Generic<T>{
private T key;
public Generic(T key) {
this.key = key;
}
public T getKey(){
return key;
}
}
如何實(shí)例化泛型類:
Generic<Integer> genericInteger = new Generic<Integer>(666);
Generic<String> genericStr = new Generic<String>("hello");
泛型接口
//定義一個(gè)泛型接口
public interface Generator<T> {
public T method();
}
//實(shí)現(xiàn)泛型接口,不指定類型
class GeneratorImpl<T> implements Generator<T>{
@Override
public T method() {
return null;
}
}
//實(shí)現(xiàn)泛型接口,指定類型
class GeneratorImpl<T> implements Generator<String>{
@Override
public String method() {
return "hello";
}
}
泛型方法
public class GenericMethods {
public <T> void f(T x){
System.out.println(x.getClass().getName());
}
public static void main(String[] args) {
GenericMethods gm = new GenericMethods();
gm.f("啦啦啦");
gm.f(666);
}
}
結(jié)果:
java.lang.String
java.lang.Integer
泛型的底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制
ArrayList源碼解析
通過(guò)上文我們知道,為了讓ArrayList存取各種數(shù)據(jù)類型的值,我們需要把ArrayList模板化,將變量的數(shù)據(jù)類型 給抽象出來(lái),作為類型參數(shù)
public class ArrayList<T> {
private T[] array;// 我們以為ArrayList<T>內(nèi)部會(huì)有個(gè)T[] array
private int size;
public void add(T e) {...}
public void remove(int index) {...}
public T get(int index) {...}
}
但當(dāng)我們查看Jdk8 的ArrayList源碼,底層數(shù)組還是Object數(shù)組:transient Object[] elementData;那ArrayList為什么還能進(jìn)行類型約束和自動(dòng)類型轉(zhuǎn)換呢?
什么是泛型擦除
我們?cè)倏匆粋€(gè)經(jīng)典的例子:
public class genericTest {
public static void main(String [] args) {
String str="";
Integer param =null;
ArrayList<String> l1 = new ArrayList<String>();
l1.add("aaa");
str = l1.get(0);
ArrayList<Integer> l2 = new ArrayList<Integer>();
l2.add(666);
param = l2.get(0);
System.out.println(l1.getClass() == l2.getClass());
}
}
結(jié)果竟然是true,ArrayList.class 和 ArrayList.class 應(yīng)該是不同的類型。通過(guò)getClass()方法獲取他們的類的信息,竟然是一樣的。我們來(lái)查看這個(gè)文件的class文件:
public class genericTest {
public genericTest() {
}
public static void main(String[] var0) {
String var1 = "";
Integer var2 = null;
ArrayList var3 = new ArrayList();//泛型被擦擦了
var3.add("aaa");
var1 = (String)var3.get(0);
ArrayList var4 = new ArrayList();//泛型被擦擦了
var4.add(666);
var2 = (Integer)var4.get(0);
System.out.println(var3.getClass() == var4.getClass());
}
}
我們?cè)趯?duì)其反匯編一下:
$ javap -c genericTest
????: ?????????genericTest????com.zj.demotest.test5.genericTest
Compiled from "genericTest.java"
public class com.zj.demotest.test5.genericTest {
public com.zj.demotest.test5.genericTest();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: ldc #2 // String
2: astore_1
3: aconst_null
4: astore_2
5: new #3 // class java/util/ArrayList
8: dup
9: invokespecial #4 // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
12: astore_3
13: aload_3
14: ldc #5 // String aaa
16: invokevirtual #6 // Method java/util/ArrayList.add:(Ljava/lang/Object;)Z
19: pop
20: aload_3
21: iconst_0
22: invokevirtual #7 // Method java/util/ArrayList.get:(I)Ljava/lang/Object;
25: checkcast #8 // class java/lang/String
28: astore_1
29: new #3 // class java/util/ArrayList
32: dup
33: invokespecial #4 // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
36: astore 4
38: aload 4
40: sipush 666
43: invokestatic #9 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
46: invokevirtual #6 // Method java/util/ArrayList.add:(Ljava/lang/Object;)Z
49: pop
50: aload 4
52: iconst_0
53: invokevirtual #7 // Method java/util/ArrayList.get:(I)Ljava/lang/Object;
56: checkcast #10 // class java/lang/Integer
59: astore_2
60: getstatic #11 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
63: aload_3
64: invokevirtual #12 // Method java/lang/Object.getClass:()Ljava/lang/Class;
67: aload 4
69: invokevirtual #12 // Method java/lang/Object.getClass:()Ljava/lang/Class;
72: if_acmpne 79
75: iconst_1
76: goto 80
79: iconst_0
80: invokevirtual #13 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
83: return
}
看第16、46處,add進(jìn)去的是原始類型Object;
看第22、53處,get方法獲得也是Object類型,String、Integer類型被擦出,只保留原始類型Object。
看25、55處,checkcast指令是類型轉(zhuǎn)換檢查 ,在結(jié)合class文件var1 = (String)var3.get(0);``var2 = (Integer)var4.get(0);我們知曉編譯器自動(dòng)幫我們強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換了,我們無(wú)需手動(dòng)類型轉(zhuǎn)換
經(jīng)過(guò)上面的種種現(xiàn)象,我們可以發(fā)現(xiàn),在類加載的編譯階段,泛型類型String和Integer都被擦除掉了,只剩下原始類型,這樣他們類的信息都是Object,這樣自然而然就相等了。這種機(jī)制就叫泛型擦除。
我們需要了解一下類加載生命周期:

詳情見(jiàn):詳解Java類加載器與雙親委派機(jī)制
泛型是和編譯器的約定,在編譯期對(duì)代碼進(jìn)行檢查的,由編譯器負(fù)責(zé)解析,JVM并無(wú)識(shí)別的能力,一個(gè)類繼承泛型后,當(dāng)變量存入這個(gè)類的時(shí)候,編譯器會(huì)對(duì)其進(jìn)行類型安全檢測(cè),當(dāng)從中取出數(shù)據(jù)時(shí),編譯器會(huì)根據(jù)與泛型的約定,會(huì)自動(dòng)進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換,無(wú)需我們手動(dòng)強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換。
泛型類型參數(shù)化,并不意味這其對(duì)象類型是不確定的,相反它的對(duì)象類型 對(duì)于JVM來(lái)說(shuō),都是確定的,是Object或Object[]數(shù)組
泛型的邊界
來(lái)看一個(gè)經(jīng)典的例子,我們想要實(shí)現(xiàn)一個(gè)ArrayList對(duì)象能夠儲(chǔ)存所有的泛型:
ArrayList<Object> list = new ArrayList<String>();
但可以的是編譯器提示報(bào)錯(cuò):

明明 String是Object類的子類,我們可以發(fā)現(xiàn),泛型不存在繼承、多態(tài)關(guān)系,泛型左右兩邊要一樣別擔(dān)心,JDK提供了通配符?來(lái)應(yīng)對(duì)這種場(chǎng)景,我們可以這樣:
ArrayList<?> list = new ArrayList<String>(); list = new ArrayList<Integer>();
通配符<?>表示可以接收任意類型,此處?是類型實(shí)參,而不是類型形參。我們可以把它看做是String、Integer等所有類型的"父類"。是一種真實(shí)的類型。通配符還有:
- 上邊界限定通配符,如<? extends E>;
- 下邊界通配符,如<? super E>;
?:無(wú)界通配符
?是開放限度最大的,可指向任意類型,但在對(duì)于其的存取上也是限制最大的:
- 入?yún)⒑头盒拖嚓P(guān)的都不能使用, 除了null(禁止存入),比如ArrayList<?> list不可以添加任何類型,因?yàn)椴⒉恢缹?shí)際是哪種類型
- 返回值和泛型相關(guān)的都只能用Object接收
extends 上邊界通配符
//泛型的上限只能是該類型的類型及其子類,其中Number是Integer、Long、Float的父類 ArrayList<? extends Number> list = new ArrayList<Integer>(); ArrayList<? extends Number> list2 = new ArrayList<Long>(); ArrayList<? extends Number> list3 = new ArrayList<Float>(); list.add(1);//報(bào)錯(cuò),extends不允許存入 ArrayList<Long> longList = new ArrayList<>(); longList.add(1L); list = longList;//由于extends不允許存入,list只能重新指向longList Number number = list.get(0); // extends 取出來(lái)的元素(Integer,Long,Float)都可以轉(zhuǎn)Number
extends指向性被砍了一半,只能指向子類型和父類型,但方法使用上又適當(dāng)放開了:
- 值得注意的是:這里的extends并不表示類的繼承含義,只是表示泛型的范圍關(guān)系
- extends不允許存入,由于使用extends ,比如
ArrayList<? extends Number> list可以接收Integer、Long、Float,但是泛型本質(zhì)是保證兩邊類型確定,這樣的話在程序運(yùn)行期間,再存入數(shù)據(jù),編譯器可無(wú)法知曉數(shù)據(jù)的類型,所以只能禁止了。 - 但為什么
ArrayList<? extends Number> list可以重新指向longList來(lái)變向地"存儲(chǔ)"值,那是因?yàn)?code>ArrayList<Long> longList = new ArrayList<>();這邊的泛型已經(jīng)約束兩邊的類型了,編譯器知曉longList儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)都是Long類型 - 但extends允許取出,取出來(lái)的元素可以往邊界類型轉(zhuǎn)
- extends中可以指定多個(gè)范圍,實(shí)行泛型類型檢查約束時(shí),會(huì)以最左邊的為準(zhǔn)。
super 下邊界通配符
//泛型的下限只能是該類型的類型及其父類,其中Number是Integer、Long、Float的父類 ArrayList<? super Integer> list = new ArrayList<Integer>(); ArrayList<? super Integer> list2 = new ArrayList<Number>(); ArrayList<? super Integer> list3 = new ArrayList<Long>();//報(bào)錯(cuò) ArrayList<? super Integer> list4 = new ArrayList<Float>();//報(bào)錯(cuò) list2.add(123);//super可以存入,只能存Integer及其子類型元素 Object aa = list2.get(0);//super可以取出,類型只能是Object
super允許存入編輯類型及其子類型元素,但取出元素只能為Object類型
PECS原則
泛型通配符的出現(xiàn),是為了獲得最大限度的靈活性。如果要用到通配符,需要結(jié)合業(yè)務(wù)考慮,《Effective Java》提出了:PECS(Producer Extends Consumer Super)
- 需要頻繁往外讀取內(nèi)容(生產(chǎn)者Producer),適合用<? extends T>
- 需要頻繁寫值(消費(fèi)者Consumer),適合用<? super T>:super允許存入子類型元素
?表示不確定的 java 類型,一般用于只接收任意類型,而不對(duì)其處理的情況
泛型是怎么擦除的
Java 編譯器通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)擦除:
- 用 Object 或者界定類型替代泛型,產(chǎn)生的字節(jié)碼中只包含了原始的類,接口和方法;
- 在恰當(dāng)?shù)奈恢貌迦霃?qiáng)制轉(zhuǎn)換代碼來(lái)確保類型安全;
- 在繼承了泛型類或接口的類中自動(dòng)產(chǎn)生橋接方法來(lái)保留多態(tài)性。
擦除類定義中的無(wú)限制類型參數(shù)
當(dāng)類定義中的類型參數(shù)沒(méi)有任何限制時(shí),在類型擦除中直接被替換為Object,即形如和<?>的類型參數(shù)都被替換為Object

擦除類定義中的有限制類型擦除
當(dāng)類定義中的類型參數(shù)存在限制(上下界)時(shí),在類型擦除中替換為類型參數(shù)的上界或者下界,
形如
<T extends Number>和<? extends Number>的類型參數(shù)被替換為Number,<? super Number>被替換為Object

擦除方法定義中的類型參數(shù)
擦除方法定義中的類型參數(shù)原則和擦除類定義中的類型參數(shù)是一樣的,額外補(bǔ)充 擦除方法定義中的有限制類型參數(shù)的例子

橋接方法和泛型的多態(tài)
public class A<T>{
public T get(T a){
//進(jìn)行一些操作
return a;
}
}
public class B extends A<String>{
@override
public String get(String a){
//進(jìn)行一些操作
return a;
}
}
由于類型擦出機(jī)制的存在,按理說(shuō)編譯后的文件在翻譯為java應(yīng)如下所示:
public class A{
public Object get(Object a){
//進(jìn)行一些操作
return a;
}
}
public class B extends A{
@override
public String get(String a){
//進(jìn)行一些操作
return a;
}
}
但是,我們可以發(fā)現(xiàn) @override意味著B對(duì)父類A中的get方法進(jìn)行了重寫,但是依上面的程序來(lái)看,只是重載,依然可以執(zhí)行父類的方法,這和期望是不附的,也不符合java繼承、多態(tài)的特性。
重寫是子類對(duì)父類的允許訪問(wèn)的方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行重新編寫, 返回值和形參都不能改變。即外殼不變,核心重寫!
重載(overloading) 是在一個(gè)類里面,方法名字相同,而參數(shù)不同。返回類型可以相同也可以不同。
為了解決這個(gè)問(wèn)題,java在編譯期間加入了橋接方法。編譯后再翻譯為java原文件其實(shí)是:
public class A{
public Object get(Object a){
//進(jìn)行一些操作
return a;
}
}
public class B extends A{
@override
public String get(String a){
//進(jìn)行一些操作
return a;
}
//橋接方法!!!
public Object get(Object a){
return get((String)a)
}
}
橋接方法重寫了父類相同的方法,并且橋接方法中,最終調(diào)用了期望的重寫方法,并且橋接方法在調(diào)用目的方法時(shí),參數(shù)被強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為指定的泛型類型。橋接方法搭起了父類和子類的橋梁。
橋接方法是伴隨泛型方法而生的,在繼承關(guān)系中,如果某個(gè)子類覆蓋了泛型方法,則編譯器會(huì)在該子類自動(dòng)生成橋接方法。所以我們實(shí)際使用泛型的過(guò)程中,無(wú)需擔(dān)心橋接方法。
泛型擦除帶來(lái)的限制與局限
泛型不適用基本數(shù)據(jù)類型
不能用類型參數(shù)代替基本類型(byte 、short 、int 、long、float 、 double、char、boolean)
比如, 沒(méi)有 Pair<double>, 只 有 Pair<Double>。 其原因是泛型擦除,擦除之后只有原始類型Object, 而 Object 無(wú)法存儲(chǔ) double等基本類型的值。
但Java同時(shí)有自動(dòng)拆裝箱特性,可以將基本類型裝箱成包裝類型,這樣就使用泛型了,通過(guò)中轉(zhuǎn),即可在功能上實(shí)現(xiàn)“用基本類型實(shí)例化類型化參數(shù)”。
| 數(shù)據(jù)類型 | 封裝類 |
|---|---|
| byte | Byte |
| short | Short |
| int | Integer |
| long | Long |
| float | Float |
| double | Double |
| char | Character |
| boolean | Boolean |
無(wú)法創(chuàng)建具體類型的泛型數(shù)組
List<Integer>[] l1 = new ArrayList<Integer>[10];// Error List<String>[] l2 = new ArrayList<String>[10];// Error
上文我們知曉ArrayList,底層仍舊采用Object[],Integer,String類型信息都被擦除
借助無(wú)限定通配符 ?,可以創(chuàng)建泛型數(shù)組,但是涉及的操作都基本上與類型無(wú)關(guān)
List<?>[] l1 = new ArrayList<?>[10];
如果想對(duì)數(shù)組進(jìn)行復(fù)制操作的話,可以通過(guò)Arrays.copyOfRange()方法
public class TestArray {
public static void main(String[] args) {
Integer[] array = new Integer[]{2, 3, 1};
Integer[] arrNew = copy(array);
}
private static <E> E[] copy(E[] array) {
return Arrays.copyOfRange(array, 0, array.length);
}
}
反射其實(shí)可以繞過(guò)泛型的限制
由于我們知曉java是通過(guò)泛型擦除來(lái)實(shí)現(xiàn)泛型的,JVM只能識(shí)別原始類型Object,所以我們只需騙過(guò)編譯器的校驗(yàn)即可,反射是程序運(yùn)行時(shí)發(fā)生的,我們可以借助反射來(lái)波騷操作
List<Integer> l1 = new ArrayList<>();
l1.add(111);
//l1.add("騷氣的我"); // 泛型會(huì)報(bào)錯(cuò)
try {
Method method = l1.getClass().getDeclaredMethod("add",Object.class);
method.invoke(l1,"騷氣的我 又出現(xiàn)了");
} catch (NoSuchMethodException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InvocationTargetException e) {
e.printStackTrace();
}
for ( Object o: l1){
System.out.println(o);
}
結(jié)果:
111
騷氣的我 又出現(xiàn)了
以上就是一文帶你深入了解Java泛型的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于Java泛型的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
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