Java泛型大全，大牛泣血總結，小白入門一篇文章就夠了

引言

泛型是JAVA中一個非常重要的知識點，在Java集合類框架中泛型被廣泛應用。本文我們將從零開始來看一下Java泛型的設計，將會涉及到通配符處理，以及讓人苦惱的類型擦除。

作者: ZiWenXie http://www.ziwenxie.site/2017/03/01/java-generic/

泛型基礎

泛型類

我們首先定義一個簡單的Box類：

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

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

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

這樣我們的Box類便可以得到復用，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>();

泛型方法

看完了泛型類，接下來我們來了解一下泛型方法。聲明一個泛型方法很簡單，只要在返回類型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; }
}

我們可以像下面這樣去調用泛型方法：

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

或者在Java1.7/1.8利用type inference，讓Java自動推導出相應的類型參數：

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

邊界符

現在我們要實現這樣一個功能，查找一個泛型數組中大于某個特定元素的個數，我們可以這樣實現：

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

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，其他的類并不一定能使用操作符>，所以編譯器報錯，那怎么解決這個問題呢？答案是使用邊界符。

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

做一個類似于下面這樣的聲明，這樣就等于告訴編譯器類型參數T代表的都是實現了Comparable接口的類，這樣等于告訴編譯器它們都至少實現了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;
}

通配符

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

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

那么現在Box n允許接受什么類型的參數？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，但是在泛型中Box或者Box與Box之間并沒有任何的關系。這一點非常重要，接下來我們通過一個完整的例子來加深一下理解。面試官問：Java中的鎖有哪些？我跪了……

首先我們先定義幾個簡單的類，下面我們將用到它：

class
 
Fruit
 {}
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() {
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();
}

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系也就關聯上了。

PECS原則

上面我們看到了類似的用法，利用它我們可以從list里面get元素，那么我們可不可以往list里面add元素呢？我們來嘗試一下：

public
 
class
 
GenericsAndCovariance
 {
 
public
 
static
 
void
 main(
String
[] args) {
 
List
<?
extends
 
Fruit
> flist = 
new
 
ArrayList
<
Apple
>();
 flist.add(
null
);
 
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？對于這個問題我們不妨從編譯器的角度去考慮。因為Listflist它自身可以有多種含義：

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

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，編譯器無法識別所以會報錯。華為 Java 編程軍規，牛逼！

所以對于實現了的集合類只能將它視為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元素應該怎么做呢？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();
 }
}

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，原因很簡單，我們繼續從編譯器的角度考慮這個問題，對于List list，它可以有下面幾種含義：

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

當我們嘗試通過list來get一個Apple的時候，可能會get得到一個Fruit，這個Fruit可以是Orange等其他類型的Fruit。

根據上面的例子，我們可以總結出一條規律，”Producer Extends, Consumer Super”：

“Producer Extends” – 如果你需要一個只讀List，用它來produce T，那么使用? extends T。

“Consumer Super” – 如果你需要一個只寫List，用它來consume T，那么使用? super T。

如果需要同時讀取以及寫入，那么我們就不能使用通配符了。

如何閱讀過一些Java集合類的源碼，可以發現通常我們會將兩者結合起來一起用，比如像下面這樣：

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));
 }
}

類型擦除

Java泛型中最令人苦惱的地方或許就是類型擦除了，特別是對于有C++經驗的程序員。類型擦除就是說Java泛型只能用于在編譯期間的靜態類型檢查，然后編譯器生成的代碼會擦除相應的類型信息，這樣到了運行期間實際上JVM根本就知道泛型所代表的具體類型。這樣做的目的是因為Java泛型是1.5之后才被引入的，為了保持向下的兼容性，所以只能做類型擦除來兼容以前的非泛型代碼。對于這一點，如果閱讀Java集合框架的源碼，可以發現有些類其實并不支持泛型。別亂打日志了，這才是正確的打日志姿勢！

說了這么多，那么泛型擦除到底是什么意思呢？我們先來看一下下面這個簡單的例子：

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; }
}

編譯器做完相應的類型檢查之后，實際上到了運行期間上面這段代碼實際上將轉換成：

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，到了運行期間，JVM統統視為Node。有沒有什么辦法可以解決這個問題呢？這就需要我們自己重新設置bounds了，將上面的代碼修改成下面這樣：

public
 
class
 
Node
<T 
extends
 
Comparable
<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; }
}

這樣編譯器就會將T出現的地方替換成Comparable而不再是默認的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，但其實泛型擦除帶來的問題遠遠不止這些，接下來我們系統地來看一下類型擦除所帶來的一些問題，有些問題在C++的泛型中可能不會遇見，但是在Java中卻需要格外小心。

問題一

在Java中不允許創建泛型數組，類似下面這樣的做法編譯器會報錯：

List
<
Integer
>[] arrayOfLists = 
new
 
List
<
Integer
>[
2
];

為什么編譯器不支持上面這樣的做法呢？繼續使用逆向思維，我們站在編譯器的角度來考慮這個問題。

我們先來看一下下面這個例子：

Object
[] strings = 
new
 
String
[
2
];
strings[
0
] = 
"hi"
;
strings[
1
] = 
100
;

對于上面這段代碼還是很好理解，字符串數組不能存放整型元素，而且這樣的錯誤往往要等到代碼運行的時候才能發現，編譯器是無法識別的。接下來我們再來看一下假設Java支持泛型數組的創建會出現什么后果：

Object
[] stringLists = 
new
 
List
<
String
>[];
stringLists[
0
] = 
new
 
ArrayList
<
String
>();
stringLists[
1
] = 
new
 
ArrayList
<
Integer
>();

假設我們支持泛型數組的創建，由于運行時期類型信息已經被擦除，JVM實際上根本就不知道new ArrayList()和new ArrayList()的區別。類似這樣的錯誤假如出現才實際的應用場景中，將非常難以察覺。別亂打日志了，這才是正確的打日志姿勢！

如果你對上面這一點還抱有懷疑的話，可以嘗試運行下面這段代碼：

public
 
class
 
ErasedTypeEquivalence
 {
 
public
 
static
 
void
 main(
String
[] args) {
 
Class
 c1 = 
new
 
ArrayList
<
String
>().getClass();
 
Class
 c2 = 
new
 
ArrayList
<
Integer
>().getClass();
 
System
.
out
.println(c1 == c2);
 }
}

問題二

繼續復用我們上面的Node的類，對于泛型代碼，Java編譯器實際上還會偷偷幫我們實現一個Bridge method。

public
 
class
 
Node
<T> {
 
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
<
Integer
> {
 
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，你可能會認為在類型擦除后，編譯器會將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);
 }
}

實際上不是這樣的，我們先來看一下下面這段代碼，這段代碼運行的時候會拋出ClassCastException異常，提示String無法轉換成Integer：

MyNode
 mn = 
new
 
MyNode
(
5
);
Node
 n = mn;
n.setData(
"Hello"
);

如果按照我們上面生成的代碼，運行到第3行的時候不應該報錯(注意我注釋掉了第4行)，因為MyNode中不存在setData(String data)方法，所以只能調用父類Node的setData(Object data)方法，既然這樣上面的第3行代碼不應該報錯，因為String當然可以轉換成Object了，那ClassCastException到底是怎么拋出的？

實際上Java編譯器對上面代碼自動還做了一個處理：

class
 
MyNode
 
extends
 
Node
 {
 
public
 
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報錯的原因了，setData((Integer) data);的時候String無法轉換成Integer。所以上面第2行編譯器提示unchecked warning的時候，我們不能選擇忽略，不然要等到運行期間才能發現異常。如果我們一開始加上Node n = mn就好了，這樣編譯器就可以提前幫我們發現錯誤。

問題三

正如我們上面提到的，Java泛型很大程度上只能提供靜態類型檢查，然后類型的信息就會被擦除，所以像下面這樣利用類型參數創建實例的做法編譯器不會通過：

public
 
static
 <E> 
void
 append(
List
<E> list) {
 E elem = 
new
 E();
 list.add(elem);
}

但是如果某些場景我們想要需要利用類型參數創建實例，我們應該怎么做呢？可以利用反射解決這個問題：

public
 
static
 <E> 
void
 append(
List
<E> list, 
Class
<E> cls) 
throws
 
Exception
 {
 E elem = cls.newInstance();
 list.add(elem);
}

我們可以像下面這樣調用：

List
<
String
> ls = 
new
 
ArrayList
<>();
append(ls, 
String
.
class
);

實際上對于上面這個問題，還可以采用Factory和Template兩種設計模式解決，感興趣的朋友不妨去看一下Thinking in Java中第15章中關于Creating instance of types(英文版第664頁)的講解，這里我們就不深入了。

問題四

我們無法對泛型代碼直接使用instanceof關鍵字，因為Java編譯器在生成代碼的時候會擦除所有相關泛型的類型信息，正如我們上面驗證過的JVM在運行時期無法識別出ArrayList和ArrayList的之間的區別：

public
 
static
 <E> 
void
 rtti(
List
<E> list) {
 
if
 (list 
instanceof
 
ArrayList
<
Integer
>) {
 }
}
=> { 
ArrayList
<
Integer
>, 
ArrayList
<
String
>, 
LinkedList
<
Character
>, ... }

和上面一樣，我們可以使用通配符重新設置bounds來解決這個問題：

public
 
static
 
void
 rtti(
List
<?> list) {
 
if
 (list 
instanceof
 
ArrayList
<?>) {
 }
}

工廠模式

接下來我們利用泛型來簡單的實現一下工廠模式，首先我們先聲明一個接口Factory：

package
 typeinfo.factory;
public
 
interface
 
Factory
<T> {
 T create();
}

接下來我們來創建幾個實體類FuelFilter和AirFilter以及FanBelt和GeneratorBelt。

class
 
Filter
 
extends
 
Part
 {}
class
 
FuelFilter
 
extends
 
Filter
 {
 
public
 
static
 
class
 
Factory
 
implements
 typeinfo.factory.
Factory
<
FuelFilter
> {
 
public
 
FuelFilter
 create() {
 
return
 
new
 
FuelFilter
();
 }
 }
}
class
 
AirFilter
 
extends
 
Filter
 {
 
public
 
static
 
class
 
Factory
 
implements
 typeinfo.factory.
Factory
<
AirFilter
> {
 
public
 
AirFilter
 create() {
 
return
 
new
 
AirFilter
();
 }
 }
}
class
 
Belt
 
extends
 
Part
 {}
class
 
FanBelt
 
extends
 
Belt
 {
 
public
 
static
 
class
 
Factory
 
implements
 typeinfo.factory.
Factory
<
FanBelt
> {
 
public
 
FanBelt
 create() {
 
return
 
new
 
FanBelt
();
 }
 }
}
class
 
GeneratorBelt
 
extends
 
Belt
 {
 
public
 
static
 
class
 
Factory
 
implements
 typeinfo.factory.
Factory
<
GeneratorBelt
> {
 
public
 
GeneratorBelt
 create() {
 
return
 
new
 
GeneratorBelt
();
 }
 }
}

Part類的實現如下，注意我們上面的實體類都是Part類的間接子類。在Part類我們注冊了我們上面的聲明的實體類。所以以后我們如果要創建相關的實體類的話，只需要在調用Part類的相關方法了。這么做的一個好處就是如果的業務中出現了CabinAirFilter或者PowerSteeringBelt的話，我們不需要修改太多的代碼，只需要在Part類中將它們注冊即可。老大難的空指針，如何優雅處理？

class
 
Part
 {
 
static
 
List
<
Factory
<?
extends
 
Part
>> partFactories =
 
new
 
ArrayList
<
Factory
<?
extends
 
Part
>>();
 
static
 {
 partFactories.add(
new
 
FuelFilter
.
Factory
());
 partFactories.add(
new
 
AirFilter
.
Factory
());
 partFactories.add(
new
 
FanBelt
.
Factory
());
 partFactories.add(
new
 
PowerSteeringBelt
.
Factory
());
 }
 
private
 
static
 
Random
 rand = 
new
 
Random
(
47
);
 
public
 
static
 
Part
 createRandom() {
 
int
 n = rand.nextInt(partFactories.size());
 
return
 partFactories.
get
(n).create();
 }
 
public
 
String
 toString() {
 
return
 getClass().getSimpleName();
 }
}

最后我們來測試一下：

public class RegisteredFactories {
 public static
 void main(String[] args) {
 for (int i = 0; i < 10; i++) {
 
System.out.println(Part.createRandom());
 }
 }
}