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    如何正确使用Java泛型

    前言

      Java 1.5之前是没有泛型的,以前从集合中读取每个对象都必须先进行转换,如果不小心存入集合中对象类型是错的,运行过程中转换处理会报错。有了泛型之后编译器会自动帮助转换,使程序更加安全,但是要正确使用泛型才能取得事半功倍的效果。

      本文主要从不要使用原生类型,泛型方法,限制通配符,类型安全的异构容器四个部分来?#24471;?#22914;何正确使用Java泛型。主要参考资料《Effective Java》(PDF电子版,有需要的朋友可以私信评论)

     


     

    一、不要使用原生态类型

    1. 什么是原生态类型?

      原生态类型(Raw type),即不带任何?#23548;?#31867;型参数的泛型名称。如与List<E>对应的原生态类型List。不推荐List list = new ArrayList()这样的方式,主要就会丢掉安全性(为什么不安全呢?具体请往下看),应使用List<MyClass> list = new ArrayList()明确类型。或者使用List<Object>(那么List与List<Object>有啥区别呢?具体可以看泛型的子类型规则部分)

    2. 为什么不推荐使用原生态类型?

    当我们使用原生态类型List创建一个集合,并往其中放入Stamp类与Coin类,并迭代循环获取List集合中的元素。

    public class RawType_Class {
    
        public static void main(String[] args) {
            List list = new ArrayList<>();
            list.add(new Stamp());
            list.add(new Coin());
            for (Iterator i = list.iterator(); i.hasNext();) {
                Stamp stamp = i.next();
            }
        }
    
    }

    此时必须使用Cast强转,否则编译会报错,在编译期报错对于开发者来说是我们最希望看到的。

    但是我们根据提示,增加Cast,好了编译是?#25442;?#25253;错了,但是运行时期会报错! Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: ,这就对我们开发者来说大大增加了难?#21462;?/p>

    public class RawType_Class {
    
        public static void main(String[] args) {
            List list = new ArrayList<>();
            list.add(new Stamp());
            list.add(new Coin());
            for (Iterator i = list.iterator(); i.hasNext();) {
                Stamp stamp = (Stamp) i.next();
            }
        }
    
    }

    由此可见,原生类型是不推荐使用,是不安全的!

    问1:那为什么Java还要允许使用原生态类型呢?

    是为了提升兼容性,Java1.5之前已经存在很多的原生态类型的代码,那么为了?#20040;?#30721;保持合法,并且能够兼容新代码,因此Java才对原生态类型支持!

    问2:那我们使用List<Object>是不是就可以了呢,两个有啥区别呢?

    两者都可以插入?#25105;?#31867;型的对象。不严格来说,前者原生态类型List逃避了泛型检查,后者参数化类型List<Object>明确告诉编译器能够持有?#25105;?#31867;型的对象。但是两个的区别主要是泛型存在子类型规则,具体请往下看

    3. 泛型的子类型规则

    子类型规则,即任何参数化的类型是原生态类型的一个子类型,比如List<String>是原生态类型List的一个子类型,而不是参数化List<Object>的子类型。

    由于子类型规则的存在,我们可以将List<String>传递给List类型的参数

    public static void main(String[] args) {
      List<String> strings = new ArrayList<>();
       unsafeAdd(strings, new Integer(1));
       String s = strings.get(0);
    }
    private static void unsafeAdd(List list, Object o){
      list.add(o);
    }

    虽然编译器是没有报错的,但是编译过程会出现以下提示,表明编写了?#25345;?#19981;安全的未受检的操作

    但是我们不能将List<String>传递给List<Object>类型参数

    public static void main(String[] args) {
      List<String> strings = new ArrayList<>();
       unsafeAdd(strings, new Integer(1));
       String s = strings.get(0);
    }
    private static void unsafeAdd(List<Object> list, Object o){
      list.add(o);
    }

    编译后就直接报错,事实上编译器就会自动提示有错误

    4. 无限制的通配符类型

      使用原生态类型是很危险的,但是如果不确定或不关心?#23548;?#30340;类型参数,那么在Java 1.5之后Java有一种安全的替换方法,称之为无限制的通配符类型(unbounded wildcard type),可以用一个“?”代替,比如Set<?>表示某个类型的集合,可以持有任何集合。

      那么无限制通配类型与原生态类型有啥区别呢?原生态类型是可以插入任何类型的元素,但是无限制通配类型的话,不能添加任何元素(null除外)。

      

      问:那么这样的通配符类型有意义吗?因为你并不知道它到底能加入啥样的元素,但是又美其名曰“无限制”。

    不能说没有意义,因为它的出现归根结底是为了防止破坏集合类型?#38469;?#26465;件,并且可以根据需要使用泛型方法或者有限制的通配符类型(bound wildcard type)接口某些限制,提高安全性。

     

    5. 泛型的可擦除性

    我们先看一下代码,看看结果:

    public static void main(String[] args) {
        List<String> l1 = new ArrayList<String>();
        List<Integer> l2 = new ArrayList<Integer>();
        //  输出为true,擦除后的类型为List
        System.out.println(l1.getClass() == l2.getClass());
    
    }

    结果为true,这是因为:泛型信息可以在运行时被擦除,泛型在编译期有效,在运行期被删除,也就是说所有泛型参数类型在编译后都会被清除掉。归根结底不管泛型被参数具体化成什么类型,其class都是RawType.class,比如List.class,而不是List<String>.class或List<Integer>.class

    事实?#24076;?#22312;类文字中必须使用原生态类型,不准使用参数化类型(虽然允许使用数组类型和基本类型),也就是List.class、String[].class和int.class都是合法的,而List<String>.class和List<?>.class不合法

     

    二、泛型方法

    1、基本概念

       之前说过,如果直接使用原生态类型编译过程会有警告,运行过程可能会报异常,是非常不安全的一种方式。

    private static Set union(Set s1, Set s2){
            Set result = new HashSet();
            result.add(s2);
            return result;
        }

      如果是在方法中使用,为了修正这些警告,使方法变成类型安全的,可以为方法声明一个类型参数。

     private static <E> Set<E> union(Set<E> s1, Set<E> s2){
            Set result = new HashSet();
            result.add(s2);
            return result;
        }

      static后面的<E>就是方法的类型参数,这样的话三个集合的类型(两个输入参数与一个返回值)必须全部相同。这样的泛型方法不需要明确指定类型参数的值,而是通过判断参数的类型计算类型参数的值,对于参数Set<String>而言,编译器自然知道返回的类型参数E也是String,这就是所谓的类型推导(type inference)

    2、泛型单例工厂

      有时候我们需要创建不?#26432;?#20294;又适合许多不同类型的对象。之前的单例模式满足不?#26432;洌?#20294;不适合不同类型对象,这次我们可以利用泛型做到这点。

    /**
     * apply方法接收与返回某个类型T的值
     * @param <T>
     */
    public interface UnaryFunction<T> {
        T apply(T arg);
    }

      现在我们需要一个恒等函数(Identity function,f(x)=x,简单理解输入等于返回的函数,会返回未被修改的参数),如果每次需要的时候都要重新创建一个,这样就会很浪费,如果泛型被具体化了,每个类型都需要一个恒等函数,但是它们被擦除后,就只需要一个泛型单例。

       /**
         * 返回未被修改的参数arg
         */
        private static UnaryFunction<Object> IDENTITY_FUNCTION = (Object arg) -> {
            return arg;
        };
    
        /**
         * 泛型方法identityFunction:
         *      返回类型:UnaryFunction<T>
         *      类型参数列表;<T>
         * 忽略强制转换未受检查的警告:
         * 因为返回未被修改的参数arg,所以我们知道无论T的值是什么,都是类型安全的
         * @param <T>
         * @return
         */
        @SuppressWarnings("unchacked")
        public static <T> UnaryFunction<T> identityFunction(){
            return (UnaryFunction<T>) IDENTITY_FUNCTION;
        }

    利用泛型单例编写测试,下面代码?#25442;?#25253;任何的警告或错误。

    public static void main(String[] args) {
            String[] strings = {"hello","world"};
            UnaryFunction<String> sameString = identityFunction();
            for (String s: strings) {
                System.out.println(sameString.apply(s));
            }
            Number[] numbers = {1,2.0};
            UnaryFunction<Number> sameNumber = identityFunction();
            for (Number n: numbers) {
                System.out.println(sameNumber.apply(n));
            }
            UnaryFunction<Stamp> sameAnotherString = identityFunction();
            System.out.println(sameAnotherString.apply(new Stamp()));
        }

     返回的都是未被修改的参数

     

    3. 递归类型限制

    递归类型限制(recursive type bound)?#21644;?#36807;某个包含该类型本身的表达式来限制类型参数,最普遍的就是与Comparable一起使用。比如<T extends Comparable<T>>

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

    类型参数T定义的类型,可以与实现Comparable<T>的类型进行比?#24076;导噬希?#20960;乎所有类型都只能与它们自身类型的元素相比?#24076;?#27604;如String实现Comparable<String>Integer实现Comparable<Integer>

    实现compareTo方法

    String之间可以相互使用compareTo比?#24076;?/p>

    String s1 = "a";
    String s2 = "b";
    s1.compareTo(s2);

    通常为了对列表进行排序,并在其中进行搜索,计算出它的最小值或最大值等,就要求列表中的每个元素都能够与列表中每个其它元素能进行比?#24076;?#25442;句话说,列表的元素可以互相比较。往往就需要实现Comparable接口的元素列表。

    /**
     * @author jian
     * @date 2019/4/1
     * @description 递归类型限制
     */
    public class Recursive_Type_Bound {
    
        /**
         * 递归类型限制(recursive type bound)
         * <T extends Comparable<T>>表示可以与自身进行比较的每个类型T,即实现Comparable<T>接口的类型都可以与自身进行比?#24076;?#21487;以查看String、Integer源码
         * <T extends Comparable<T>>类型参数,表示传入max方法的参数必须实现Comparable<T>接口,才能使用compareTo方法
         * @param list
         * @param <T>
         * @return
         */
        public static <T extends Comparable<T>> T max(List<T> list) {
            Iterator<T> iterator = list.iterator();
            T result = iterator.next();
            while (iterator.hasNext()) {
                T t = iterator.next();
                if (t.compareTo(result) > 0) {
                    result = t;
                }
            }
            return result;
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            List<String> list = Arrays.asList("1","2");
            System.out.println(max(list));
        }
    }

     

    三、有限制的通配符类型

    之前提到过的无限制的通配符类型就提到过,无限制的通配符单纯只使用"?"(如Set<?>),而有限制的通配符往往有如下形式,通过有限制的通配符类型可以大大提升API的灵活性。

      (1)E的?#25345;?#36229;类集合(接口):Collection<? super E>、Interface<? super E>、

      (2)E的某个子类集合(接口):Collection<? extends E>、Interface<? extends E>

    问1:那么什么时候使用extends关键字,什么什么使用super关键字呢?

    有这样一个PECS(producer-extends, consumer-super)原则:如果参数化类型表示一个T生产者,就使用<? extends T>,如果表示消费者就是<? super T>。可以这样助记

    问2:什么是生产者,什么是消费者

    1)生产者:产生T不能消费T,针对collection,对每一项元素操作时,此时这个集合时生产者(生产元素),使用Collection<? extends T>。只能读取,不能写入

    2)消费者:不能生产T,只消费使用T,针对collection,添加元素collection中,此时集合消?#35328;?#32032;,使用Collection<? super T>,只能添加T的子类及自身,用Object接收读取到的元素

    举例?#24471;鰨?#29983;产者

    1)你不能在List<? extends Number>中add操作,因为你增加Integer可能会指向List<Double>,你增加Double可能会指向Integer。根本不能确保列表中最终保存的是什么类型。换句话说Number的所有子类从类关系上来说都是平级的,毫无联系的。并不能依赖类型推导(类型转换),编译器是无法确实的?#23548;?#31867;型的!

     

    2)但是你可以读取其中的元素,并保证读取出来的一定是Number的子类(包括Number),编译并?#25442;?#25253;错,换句话说编译器知道里面的元素都是Number的子类,不管是Integer还是Double,编译器都可以向下转型

    举例?#24471;鰨合?#36153;者

     1)编译器不知道存入列表中的Number的超类具体是哪一个,只能使用Object去接收

    2)但是只可以添加Interger及其子类(因为Integer子类也是Integer,向上转型),不能添加Object、Number。因为插入Number对象可以指向List<Integer>对象,你插入Object,因为可能会指向List<Ineger>对象

     

     

    注意:Comparable/Comparator都是消费者,通常使用Comparator<? Super T>),可以将上述的max方法进行改造:
     public static <T extends Comparable<? super T>> T max(List<? extends T> list) {
            Iterator<? extends T> iterator = list.iterator();
            T result = iterator.next();
            while (iterator.hasNext()) {
                T t = iterator.next();
                if (t.compareTo(result) > 0) {
                    result = t;
                }
            }
            return result;
        }

     

    四、类型安全的异构容器

      泛型一般用于集合,如Set和Map等,这些容器都是被参数化了(类型已经被具体化了,参数个数已?#36824;?#23450;)的容器,只能限制每个容器只能固定数目的类型参数,比如Set只能一个类型参数,表示它的元素类型,Map有两个参数,表示它的键与值。

      但是有时候你会需要更多的灵活性,比如关系数据库中可以有?#25105;?#22810;的列,如果以类型的方式所有列就好了。有一种方法可以实现,那就是使用将键进行参数化而不是容器参数化,然后将参数化的键提交给容器,来插入或获取值,用泛型来确保值的类型与它的键相符。

      我们实现一个Favorite类,可以通过Class类型来获取相应的value值,键可以是不同的Class类型(键Class<?>参数化,而不是Map<?>容器参数化)。利用Class.cast方法将键与键值的类型对应起来,?#25442;?#20986;现  favorites.putFavorite(Integer.class, "Java") 这样的情况。

    
    
    /**
     * @author jian
     * @date 2019/4/1
     * @description 类型安全的异构容器
     */
    public class Favorites {
    
        private Map<Class<?>, Object> favorites = new HashMap<>();
    
        public <T> void putFavorite(Class<T> type, T instance){
            if (type == null) {
                throw new NullPointerException("Type is null");
            }
            favorites.put(type, type.cast(instance));
        }
    
        public <T> T getFavorite(Class<T> type){
            return type.cast(favorites.get(type));
        }
    
    }
    
    

      Favorites实例是类型安全(typesafe)的,你请求String时,?#25442;?#36820;回给你Integer,同时也是异构(heterogeneous)的,不像普通map,它的键都可以是不同类型的。因此,我们将Favorites称之为类型安全的异构容器(typesafe heterogeneous container)。

     public static void main(String[] args) {
            Favorites favorites = new Favorites();
            favorites.putFavorite(String.class, "Java");
            favorites.putFavorite(Integer.class, 64);
            favorites.putFavorite(Class.class, Favorites.class);
            String favoriteString = favorites.getFavorite(String.class);
            Integer favoriteInteger = favorites.getFavorite(Integer.class);
            Class<?> favoriteClass = favorites.getFavorite(Class.class);
         // 输出 Java 40 Favorites System.out.printf(
    "%s %x %s%n", favoriteString, favoriteInteger, favoriteClass.getSimpleName()); }

      Favorites类局限性在于它不能用于在不可具体化的类型中,换句话?#30340;?#21487;以保存String,String[],但是你不能保存List<String>,因为你无法为List<String>获取一个Class对象:List<String>.class是错误的,不管是List<String>还是List<Integer>都会公用一个List.class对象。

    
    
      List<String> list = Arrays.asList("1","2");
      List<Integer> list2 = Arrays.asList(3,4);
      // 只能选一种,不能有List<String>.class或者List<Integer>.class
      favorites.putFavorite(List.class, list2);
      // favorites.putFavorite(List.class, list)

     

     


     

    附1?#21512;?#20851;泛型术语

      1)参数化的类型:List<String>

      2)?#23548;?#31867;型参数:String

      3)泛型:List<E>

      4)形式类型参数:E

      5)无限制通配符类型:List<?>

      6)原生态类型:List

      7)递归类型限制:<T extends Comparable<T>>

      8)有限制的通配符类型:List<? extends Number>

      9)泛型方法:static <E> List<E> union()

      10)类型令牌:String.class


    附2:常用的形式类型参数

      1)T 代表一般的任何类。

      2)E 代表 Element 的意思,或者 Exception 异常的意思。

      3)K 代表 Key 的意思。

      4)V 代表 Value 的意思,通常与 K 一起配合使用。

      5)S 代表 Subtype 的意思

     

    posted @ 2019-04-12 14:53 JJian 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏
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