這篇文章主要講解了“Java泛型的設(shè)計(jì)方法是什么”，文中的講解內(nèi)容簡(jiǎn)單清晰，易于學(xué)習(xí)與理解，下面請(qǐng)大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來(lái)研究和學(xué)習(xí)“Java泛型的設(shè)計(jì)方法是什么”吧！
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引言 泛型是Java中一個(gè)非常重要的知識(shí)點(diǎn)，在Java集合類(lèi)框架中泛型被廣泛應(yīng)用。本文我們將從零開(kāi)始來(lái)看一下Java泛型的設(shè)計(jì)，將會(huì)涉及到通配符處理，以及讓人苦惱的類(lèi)型擦除。
泛型基礎(chǔ) 泛型類(lèi) 我們首先定義一個(gè)簡(jiǎn)單的Box類(lèi)：
public class Box {private String object;public void set(String object) { this.object = object; }public String get() { return object; }
} 這是最常見(jiàn)的做法，這樣做的一個(gè)壞處是Box里面現(xiàn)在只能裝入String類(lèi)型的元素，今后如果我們需要裝入Integer等其他類(lèi)型的元素，還必須要另外重寫(xiě)一個(gè)Box，代碼得不到復(fù)用，使用泛型可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。
public class Box {// T stands for "Type"private T t;public void set(T t) { this.t = t; }public T get() { return t; }
} 這樣我們的Box類(lèi)便可以得到復(fù)用，我們可以將T替換成任何我們想要的類(lèi)型：
Box integerBox = new Box();
Box doubleBox = new Box();
Box stringBox = new Box(); 泛型方法 看完了泛型類(lèi)，接下來(lái)我們來(lái)了解一下泛型方法。聲明一個(gè)泛型方法很簡(jiǎn)單，只要在返回類(lèi)型前面加上一個(gè)類(lèi)似
public class Util {public static boolean compare(Pair p1, Pair p2) {return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
p1.getValue().equals(p2.getValue());
}
}public class Pair {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; }
} 我們可以像下面這樣去調(diào)用泛型方法：
Pair p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.compare(p1, p2); 或者在Java1.7/1.8利用type inference，讓Java自動(dòng)推導(dǎo)出相應(yīng)的類(lèi)型參數(shù)：
Pair p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.compare(p1, p2); 邊界符 現(xiàn)在我們要實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)功能，查找一個(gè)泛型數(shù)組中大于某個(gè)特定元素的個(gè)數(shù)，我們可以這樣實(shí)現(xiàn)：
public static int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
int count = 0;for (T e : anArray)if (e > elem) // compiler error++count;return count;
} 但是這樣很明顯是錯(cuò)誤的，因?yàn)槌?code>short, int, double, long, float, byte, char等原始類(lèi)型，其他的類(lèi)并不一定能使用操作符>，所以編譯器報(bào)錯(cuò)，那怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？答案是使用邊界符。
public interface Comparable {public int compareTo(T o);
} 做一個(gè)類(lèi)似于下面這樣的聲明，這樣就等于告訴編譯器類(lèi)型參數(shù)T代表的都是實(shí)現(xiàn)了Comparable接口的類(lèi)，這樣等于告訴編譯器它們都至少實(shí)現(xiàn)了compareTo方法。
public static > int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
int count = 0;for (T e : anArray)if (e.compareTo(elem) > 0)
++count;return count;
} 通配符 在了解通配符之前，我們首先必須要澄清一個(gè)概念，還是借用我們上面定義的Box類(lèi)，假設(shè)我們添加一個(gè)這樣的方法：
public void boxTest(Box n) { /* ... */ } 那么現(xiàn)在Box n 允許接受什么類(lèi)型的參數(shù)？我們是否能夠傳入Box或者Box呢？答案是否定的，雖然Integer和Double是Number的子類(lèi)，但是在泛型中Box或者Box與Box之間并沒(méi)有任何的關(guān)系。這一點(diǎn)非常重要，接下來(lái)我們通過(guò)一個(gè)完整的例子來(lái)加深一下理解。
首先我們先定義幾個(gè)簡(jiǎn)單的類(lèi)，下面我們將用到它：
class Fruit {}class Apple extends Fruit {}class Orange extends Fruit {} 下面這個(gè)例子中，我們創(chuàng)建了一個(gè)泛型類(lèi)Reader，然后在f1()中當(dāng)我們嘗試Fruit f = fruitReader.readExact(apples);編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)，因?yàn)?code>List與List之間并沒(méi)有任何的關(guān)系。
public class GenericReading {static List apples = Arrays.asList(new Apple());static List fruit = Arrays.asList(new Fruit());static class Reader {T readExact(List list) {return list.get(0);
}
}static void f1() {
Reader fruitReader = new Reader();// Errors: List cannot be applied to List.// Fruit f = fruitReader.readExact(apples);}public static void main(String[] args) {
f1();
}
} 但是按照我們通常的思維習(xí)慣，Apple和Fruit之間肯定是存在聯(lián)系，然而編譯器卻無(wú)法識(shí)別，那怎么在泛型代碼中解決這個(gè)問(wèn)題呢？我們可以通過(guò)使用通配符來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：
static class CovariantReader {T readCovariant(List list) {return list.get(0);
}
}static void f2() {
CovariantReader fruitReader = new CovariantReader();
Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);
Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);
}public static void main(String[] args) {
f2();
} 這樣就相當(dāng)與告訴編譯器， fruitReader的readCovariant方法接受的參數(shù)只要是滿(mǎn)足Fruit的子類(lèi)就行(包括Fruit自身)，這樣子類(lèi)和父類(lèi)之間的關(guān)系也就關(guān)聯(lián)上了。
PECS原則 上面我們看到了類(lèi)似
public class GenericsAndCovariance {public static void main(String[] args) {// Wildcards allow covariance:List flist = new ArrayList();// Compile Error: can'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);
}
} 答案是否定，Java編譯器不允許我們這樣做，為什么呢？對(duì)于這個(gè)問(wèn)題我們不妨從編譯器的角度去考慮。因?yàn)?code>List flist它自身可以有多種含義：
List flist = new ArrayList();List flist = new ArrayList();List flist = new ArrayList(); 當(dāng)我們嘗試add一個(gè)Apple的時(shí)候，flist可能指向new ArrayList() ;
當(dāng)我們嘗試add一個(gè)Orange的時(shí)候，flist可能指向new ArrayList() ;
當(dāng)我們嘗試add一個(gè)Fruit的時(shí)候，這個(gè)Fruit可以是任何類(lèi)型的Fruit，而flist可能只想某種特定類(lèi)型的Fruit，編譯器無(wú)法識(shí)別所以會(huì)報(bào)錯(cuò)。
所以對(duì)于實(shí)現(xiàn)了
如果我們要add元素應(yīng)該怎么做呢？可以使用
public class GenericWriting {static List apples = new ArrayList();static List fruit = new ArrayList();static void writeExact(List list, T item) {list.add(item);
}static void f1() {
writeExact(apples, new Apple());
writeExact(fruit, new Apple());
}static void writeWithWildcard(List 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();
}
} 這樣我們可以往容器里面添加元素了，但是使用super的壞處是以后不能get容器里面的元素了，原因很簡(jiǎn)單，我們繼續(xù)從編譯器的角度考慮這個(gè)問(wèn)題，對(duì)于List list，它可以有下面幾種含義：
List list = new ArrayList();List list = new ArrayList();List list = new ArrayList(); 當(dāng)我們嘗試通過(guò)list來(lái)get一個(gè)Apple的時(shí)候，可能會(huì)get得到一個(gè)Fruit，這個(gè)Fruit可以是Orange等其他類(lèi)型的Fruit。
根據(jù)上面的例子，我們可以總結(jié)出一條規(guī)律，”P(pán)roducer Extends, Consumer Super”：
“Producer Extends” – 如果你需要一個(gè)只讀List，用它來(lái)produce T，那么使用? extends T。
“Consumer Super” – 如果你需要一個(gè)只寫(xiě)List，用它來(lái)consume T，那么使用? super T。
如果需要同時(shí)讀取以及寫(xiě)入，那么我們就不能使用通配符了。
如何閱讀過(guò)一些Java集合類(lèi)的源碼，可以發(fā)現(xiàn)通常我們會(huì)將兩者結(jié)合起來(lái)一起用，比如像下面這樣：
public class Collections {public static void copy(List dest, List src) {for (int i=0; i類(lèi)型擦除 Java泛型中最令人苦惱的地方或許就是類(lèi)型擦除了，特別是對(duì)于有C++經(jīng)驗(yàn)的程序員。類(lèi)型擦除就是說(shuō)Java泛型只能用于在編譯期間的靜態(tài)類(lèi)型檢查，然后編譯器生成的代碼會(huì)擦除相應(yīng)的類(lèi)型信息，這樣到了運(yùn)行期間實(shí)際上JVM根本就知道泛型所代表的具體類(lèi)型。這樣做的目的是因?yàn)镴ava泛型是1.5之后才被引入的，為了保持向下的兼容性，所以只能做類(lèi)型擦除來(lái)兼容以前的非泛型代碼。對(duì)于這一點(diǎn)，如果閱讀Java集合框架的源碼，可以發(fā)現(xiàn)有些類(lèi)其實(shí)并不支持泛型。
說(shuō)了這么多，那么泛型擦除到底是什么意思呢？我們先來(lái)看一下下面這個(gè)簡(jiǎn)單的例子：
public class Node {private T data;private Node next;public Node(T data, Node next) } this.data = data;this.next = next;
}public T getData() { return data; }// ...} 編譯器做完相應(yīng)的類(lèi)型檢查之后，實(shí)際上到了運(yùn)行期間上面這段代碼實(shí)際上將轉(zhuǎn)換成：
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; }// ...} 這意味著不管我們聲明Node還是Node，到了運(yùn)行期間，JVM統(tǒng)統(tǒng)視為Node。有沒(méi)有什么辦法可以解決這個(gè)問(wèn)題呢？這就需要我們自己重新設(shè)置bounds了，將上面的代碼修改成下面這樣：
public class Node> {private T data;private Node next;public Node(T data, Node next) {this.data = data;this.next = next;
}public T getData() { return data; }// ...} 這樣編譯器就會(huì)將T出現(xiàn)的地方替換成Comparable而不再是默認(rèn)的Object了：
public class Node {private Comparable data;private Node next;public Node(Comparable data, Node next) {this.data = data;this.next = next;
}public Comparable getData() { return data; }// ...} 上面的概念或許還是比較好理解，但其實(shí)泛型擦除帶來(lái)的問(wèn)題遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，接下來(lái)我們系統(tǒng)地來(lái)看一下類(lèi)型擦除所帶來(lái)的一些問(wèn)題，有些問(wèn)題在C++的泛型中可能不會(huì)遇見(jiàn)，但是在Java中卻需要格外小心。
問(wèn)題一 在Java中不允許創(chuàng)建泛型數(shù)組，類(lèi)似下面這樣的做法編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)：
List[] arrayOfLists = new List[2]; // compile-time error 為什么編譯器不支持上面這樣的做法呢？繼續(xù)使用逆向思維，我們站在編譯器的角度來(lái)考慮這個(gè)問(wèn)題。
我們先來(lái)看一下下面這個(gè)例子：
Object[] strings = new String[2];
strings[0] = "hi"; // OKstrings[1] = 100; // An ArrayStoreException is thrown. 對(duì)于上面這段代碼還是很好理解，字符串?dāng)?shù)組不能存放整型元素，而且這樣的錯(cuò)誤往往要等到代碼運(yùn)行的時(shí)候才能發(fā)現(xiàn)，編譯器是無(wú)法識(shí)別的。接下來(lái)我們?cè)賮?lái)看一下假設(shè)Java支持泛型數(shù)組的創(chuàng)建會(huì)出現(xiàn)什么后果：
Object[] stringLists = new List[]; // compiler error, but pretend it's allowedstringLists[0] = new ArrayList(); // OK// An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can't detect it.stringLists[1] = new ArrayList(); 假設(shè)我們支持泛型數(shù)組的創(chuàng)建，由于運(yùn)行時(shí)期類(lèi)型信息已經(jīng)被擦除，JVM實(shí)際上根本就不知道new ArrayList() 和new ArrayList() 的區(qū)別。類(lèi)似這樣的錯(cuò)誤假如出現(xiàn)才實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，將非常難以察覺(jué)。
如果你對(duì)上面這一點(diǎn)還抱有懷疑的話(huà)，可以嘗試運(yùn)行下面這段代碼：
public class ErasedTypeEquivalence {public static void main(String[] args) {
Class c1 = new ArrayList().getClass();
Class c2 = new ArrayList().getClass();
System.out.println(c1 == c2); // true}
} 問(wèn)題二 繼續(xù)復(fù)用我們上面的Node的類(lèi)，對(duì)于泛型代碼，Java編譯器實(shí)際上還會(huì)偷偷幫我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)Bridge method。
public class Node {public T data;public Node(T data) { this.data = data; }public void setData(T data) {
System.out.println("Node.setData");this.data = data;
}
}public class MyNode extends Node {public MyNode(Integer data) { super(data); }public void setData(Integer data) {
System.out.println("MyNode.setData");super.setData(data);
}
} 看完上面的分析之后，你可能會(huì)認(rèn)為在類(lèi)型擦除后，編譯器會(huì)將Node和MyNode變成下面這樣：
public class Node {public Object data;public Node(Object data) { this.data = data; }public void setData(Object data) {
System.out.println("Node.setData");this.data = data;
}
}public class MyNode extends Node {public MyNode(Integer data) { super(data); }public void setData(Integer data) {
System.out.println("MyNode.setData");super.setData(data);
}
} 實(shí)際上不是這樣的，我們先來(lái)看一下下面這段代碼，這段代碼運(yùn)行的時(shí)候會(huì)拋出ClassCastException異常，提示String無(wú)法轉(zhuǎn)換成Integer：
MyNode mn = new MyNode(5);
Node n = mn; // A raw type - compiler throws an unchecked warningn.setData("Hello"); // Causes a ClassCastException to be thrown.// Integer x = mn.data; 如果按照我們上面生成的代碼，運(yùn)行到第3行的時(shí)候不應(yīng)該報(bào)錯(cuò)(注意我注釋掉了第4行)，因?yàn)镸yNode中不存在setData(String data)方法，所以只能調(diào)用父類(lèi)Node的setData(Object data)方法，既然這樣上面的第3行代碼不應(yīng)該報(bào)錯(cuò)，因?yàn)镾tring當(dāng)然可以轉(zhuǎn)換成Object了，那ClassCastException到底是怎么拋出的？
實(shí)際上Java編譯器對(duì)上面代碼自動(dòng)還做了一個(gè)處理：
class MyNode extends Node {// Bridge method generated by the compilerpublic void setData(Object data) {
setData((Integer) data);
}public void setData(Integer data) {
System.out.println("MyNode.setData");super.setData(data);
}// ...} 這也就是為什么上面會(huì)報(bào)錯(cuò)的原因了，setData((Integer) data);的時(shí)候String無(wú)法轉(zhuǎn)換成Integer。所以上面第2行編譯器提示unchecked warning的時(shí)候，我們不能選擇忽略，不然要等到運(yùn)行期間才能發(fā)現(xiàn)異常。如果我們一開(kāi)始加上Node n = mn 就好了，這樣編譯器就可以提前幫我們發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。
問(wèn)題三 正如我們上面提到的，Java泛型很大程度上只能提供靜態(tài)類(lèi)型檢查，然后類(lèi)型的信息就會(huì)被擦除，所以像下面這樣利用類(lèi)型參數(shù)創(chuàng)建實(shí)例的做法編譯器不會(huì)通過(guò)：
public static void append(List list) {
E elem = new E(); // compile-time errorlist.add(elem);
} 但是如果某些場(chǎng)景我們想要需要利用類(lèi)型參數(shù)創(chuàng)建實(shí)例，我們應(yīng)該怎么做呢？可以利用反射解決這個(gè)問(wèn)題：
public static void append(List list, Class cls) throws Exception {
E elem = cls.newInstance(); // OKlist.add(elem);
} 我們可以像下面這樣調(diào)用：
List ls = new ArrayList<>();
append(ls, String.class); 實(shí)際上對(duì)于上面這個(gè)問(wèn)題，還可以采用Factory和Template兩種設(shè)計(jì)模式解決，感興趣的朋友不妨去看一下Thinking in Java中第15章中關(guān)于Creating instance of types(英文版第664頁(yè))的講解，這里我們就不深入了。
問(wèn)題四 我們無(wú)法對(duì)泛型代碼直接使用instanceof關(guān)鍵字，因?yàn)镴ava編譯器在生成代碼的時(shí)候會(huì)擦除所有相關(guān)泛型的類(lèi)型信息，正如我們上面驗(yàn)證過(guò)的JVM在運(yùn)行時(shí)期無(wú)法識(shí)別出ArrayList和ArrayList的之間的區(qū)別：
public static void rtti(List list) {if (list instanceof ArrayList) { // compile-time error// ...}
}
=> { ArrayList, ArrayList, LinkedList, ... } 和上面一樣，我們可以使用通配符重新設(shè)置bounds來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：
public static void rtti(List list) {if (list instanceof ArrayList) { // OK; instanceof requires a reifiable type// ...}
} 感謝各位的閱讀，以上就是“Java泛型的設(shè)計(jì)方法是什么”的內(nèi)容了，經(jīng)過(guò)本文的學(xué)習(xí)后，相信大家對(duì)Java泛型的設(shè)計(jì)方法是什么這一問(wèn)題有了更深刻的體會(huì)，具體使用情況還需要大家實(shí)踐驗(yàn)證。這里是創(chuàng)新互聯(lián)，小編將為大家推送更多相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的文章，歡迎關(guān)注！
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