Java泛型编程总结

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1.介绍

Java泛型编程是JDK1.5版本后引入的。泛型让编程人员能够使用类型抽象,通常用于集合里面。下面是一个不用泛型例子:

注意第3行代码,但这是让人很不爽的一点,因为程序员肯定知道自己存储在List里面的对象类型是Integer,但是在返回列表中元素时,还是必须强制转换类型,这是为什么呢?原因在于,编译器只能保证迭代器的next()方法返回的是Object类型的对象,为保证Integer变量的类型安全,所以必须强制转换。

这种转换不仅显得混乱,更可能导致类型转换异常ClassCastException,运行时异常往往让人难以检测到。保证列表中的元素为一个特定的数据类型,这样就可以取消类型转换,减少发生错误的机会, 这也是泛型设计的初衷。下面是一个使用了泛型的例子:

在第1行代码中指定List中存储的对象类型为Integer,这样在获取列表中的对象时,不必强制转换类型了。

2.定义简单的泛型

下面是一个引用自java.util包中的接口List和Iterator的定义,其中用到了泛型技术。

这跟原生类型没有什么区别,只是在接口后面加入了一个尖括号,尖括号里面是一个类型参数(定义时就是一个格式化的类型参数,在调用时会使用一个具体的类型来替换该类型)。

也许可以这样认为,List<Integer>表示List中的类型参数E会被替换成Integer。

类型擦除指的是通过类型参数合并,将泛型类型实例关联到同一份字节码上。编译器只为泛型类型生成一份字节码,并将其实例关联到这份字节码上,因此泛型类型中的静态变量是所有实例共享的。此外,需要注意的是,一个static方法,无法访问泛型类的类型参数,因为类还没有实例化,所以,若static方法需要使用泛型能力,必须使其成为泛型方法。类型擦除的关键在于从泛型类型中清除类型参数的相关信息,并且再必要的时候添加类型检查和类型转换的方法在使用泛型时,任何具体的类型都被擦除,唯一知道的是你在使用一个对象。比如:List<String>List<Integer>在运行事实上是相同的类型。他们都被擦除成他们的原生类型,即List因为编译的时候会有类型擦除,所以不能通过同一个泛型类的实例来区分方法,如下面的例子编译时会出错,因为类型擦除后,两个方法都是List类型的参数,因此并不能根据泛型类的类型来区分方法。

那么这就有个问题了,既然在编译的时候会在方法和类中擦除实际类型的信息,那么在返回对象时又是如何知道其具体类型的呢?如List<String>编译后会擦除掉String信息,那么在运行时通过迭代器返回List中的对象时,又是如何知道List中存储的是String类型对象呢?

擦除在方法体中移除了类型信息,所以在运行时的问题就是边界即对象进入和离开方法的地点,这正是编译器在编译期执行类型检查并插入转型代码的地点。泛型中的所有动作都发生在边界处:对传递进来的值进行额外的编译期检查,并插入对传递出去的值的转型。

3.泛型和子类型

为了彻底理解泛型,这里看个例子:(Apple为Fruit的子类)

第1行代码显然是对的,但是第2行是否对呢?我们知道Fruit fruit = new Apple(),这样肯定是对的,即苹果肯定是水果,但是第2行在编译的时候会出错。这会让人比较纳闷的是一个苹果是水果,为什么一箱苹果就不是一箱水果了呢?可以这样考虑,我们假定第2行代码没有问题,那么我们可以使用语句fruits.add(new Strawberry())(Strawberry为Fruit的子类)在fruits中加入草莓了,但是这样的话,一个List中装入了各种不同类型的子类水果,这显然是不可以的,因为我们在取出List中的水果对象时,就分不清楚到底该转型为苹果还是草莓了。

通常来说,如果FooBar的子类型,G是一种带泛型的类型,则G<Foo>不是G<Bar>的子类型。这也许是泛型学习里面最让人容易混淆的一点。

4.通配符

4.1通配符?

先看一个打印集合中所有元素的代码。

很容易发现,使用泛型的版本只能接受元素类型为Object类型的集合如ArrayList<Object>();如果是ArrayList<String>,则会编译时出错。因为我们前面说过,Collection<Object>并不是所有集合的超类。而老版本可以打印任何类型的集合,那么如何改造新版本以便它能接受所有类型的集合呢?这个问题可以通过使用通配符来解决。修改后的代码如下所示:

这里使用了通配符?指定可以使用任何类型的集合作为参数。读取的元素使用了Object类型来表示,这是安全的,因为所有的类都是Object的子类。这里就又出现了另外一个问题,如下代码所示,如果试图往使用通配符?的集合中加入对象,就会在编译时出现错误。需要注意的是,这里不管加入什么类型的对象都会出错。这是因为通配符?表示该集合存储的元素类型未知,可以是任何类型。往集合中加入元素需要是一个未知元素类型的子类型,正因为该集合存储的元素类型未知,所以我们没法向该集合中添加任何元素。唯一的例外是null,因为null是所有类型的子类型,所以尽管元素类型不知道,但是null一定是它的子类型。

另一方面,我们可以从List<?> lists中获取对象,虽然不知道List中存储的是什么类型,但是可以肯定的是存储的类型一定是Object的子类型,所以可以用Object类型来获取值。如for(Object obj: lists),这是合法的。

4.2边界通配符

1)?extends通配符

假定有一个画图的应用,可以画各种形状的图形,如矩形和圆形等。为了在程序里面表示,定义如下的类层次:

为了画出集合中所有的形状,我们可以定义一个函数,该函数接受带有泛型的集合类对象作为参数。但是不幸的是,我们只能接收元素类型为Shape的List对象,而不能接收类型为List<Cycle>的对象,这在前面已经说过。为了解决这个问题,所以有了边界通配符的概念。这里可以采用public void drawAll(List<? extends Shape>shapes)来满足条件,这样就可以接收元素类型为Shape子类型的列表作为参数了。

这里就又有个问题要注意了,如果我们希望在List<?exends Shape> shapes中加入一个矩形对象,如下所示:

shapes.add(0, new Rectangle()); //compile-time error

那么这时会出现一个编译时错误,原因在于:我们只知道shapes中的元素时Shape类型的子类型,具体是什么子类型我们并不清楚,所以我们不能往shapes中加入任何类型的对象。不过我们在取出其中对象时,可以使用Shape类型来取值,因为虽然我们不知道列表中的元素类型具体是什么类型,但是我们肯定的是它一定是Shape类的子类型。

2)?super通配符

这里还有一种边界通配符为?super。比如下面的代码:

这表示cicleSupers列表存储的元素为Cicle的超类,因此我们可以往其中加入Cicle对象或者Cicle的子类对象,但是不能加入Shape对象。这里的原因在于列表cicleSupers存储的元素类型为Cicle的超类,但是具体是Cicle的什么超类并不清楚。但是我们可以确定的是只要是Cicle或者Circle的子类,则一定是与该元素类别兼容。

3)边界通配符总结

如果你想从一个数据类型里获取数据,使用 ? extends 通配符

如果你想把对象写入一个数据结构里,使用 ? super 通配符

如果你既想存,又想取,那就别用通配符。

 

5.泛型方法

考虑实现一个方法,该方法拷贝一个数组中的所有对象到集合中。下面是初始的版本:

可以看到显然会出现编译错误,原因在之前有讲过,因为集合c中的类型未知,所以不能往其中加入任何的对象(当然,null除外)。解决该问题的一种比较好的办法是使用泛型方法,如下所示:

注意泛型方法的格式,类型参数<T>需要放在函数返回值之前。然后在参数和返回值中就可以使用泛型参数了。具体一些调用方法的实例如下:

注意到我们调用方法时并不需要传递类型参数,系统会自动判断类型参数并调用合适的方法。当然在某些情况下需要指定传递类型参数,比如当存在与泛型方法相同的方法的时候(方法参数类型不一致),如下面的一个例子:

如例子中所示,当不指定类型参数时,调用的是普通的方法,如果指定了类型参数,则调用泛型方法。可以这样理解,因为泛型方法编译后类型擦除,如果不指定类型参数,则泛型方法此时相当于是public void go(Object t)。而普通的方法接收参数为String类型,因此以String类型的实参调用函数,肯定会调用形参为String的普通方法了。如果是以Object类型的实参调用函数,则会调用泛型方法。

6.其他需要注意的小点

1)方法重载

在JAVA里面方法重载是不能通过返回值类型来区分的,比如代码一中一个类中定义两个如下的方法是不容许的。但是当参数为泛型类型时,却是可以的。如下面代码二中所示,虽然形参经过类型擦除后都为List类型,但是返回类型不同,这是可以的。

 

2)泛型类型是被所有调用共享的

       所有泛型类的实例都共享同一个运行时类,类型参数信息会在编译时被擦除。因此考虑如下代码,虽然ArrayList<String>和ArrayList<Integer>类型参数不同,但是他们都共享ArrayList类,所以结果会是true。

 

3)instanceof

不能对确切的泛型类型使用instanceOf操作。如下面的操作是非法的,编译时会出错。

 

4)泛型数组问题

不能创建一个确切泛型类型的数组。如下面代码会出错。

List<String>[] lsa = new ArrayList<String>[10]; //compile error.

       因为如果可以这样,那么考虑如下代码,会导致运行时错误。

       因此只能创建带通配符的泛型数组,如下面例子所示,这回可以通过编译,但是在倒数第二行代码中必须显式的转型才行,即便如此,最后还是会抛出类型转换异常,因为存储在lsa中的是List<Integer>类型的对象,而不是List<String>类型。最后一行代码是正确的,类型匹配,不会抛出异常。


原文链接:http://qiemengdao.iteye.com/blog/1525624


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