Java高级特性之泛型

泛型是 Java 的高级特性之一，如果想写出优雅而高扩展性的代码，或是想读得懂一些优秀的源码，泛型是绕不开的槛。本文介绍了什么是泛型、类型擦除的概念及其实现，最后总结了泛型使用的最佳实践。

前言

想写一下关于 Java 一些高级特性的文章，虽然这些特性在平常实现普通业务时不必使用，但如果想写出优雅而高扩展性的代码，或是想读得懂一些优秀的源码，这些特性又是不可避免的。

如果对这些特性不了解，不熟悉特性的应用场景，使用时又因为语法等原因困难重重，很难让人克服惰性去使用它们，所以身边总有一些同事，工作了很多年，却从没有用过 Java 的某些高级特性，写出的代码总是差那么一点儿感觉。

为了避免几年后自己的代码还是非常 low，我准备从现在开始深入理解一下这些特性。本文先写一下应用场景最多的泛型。

转载随意，文章会持续修订，请注明来源地址：https://zhenbianshu.github.io 。

泛型是什么

首先来说泛型是什么。泛型的英文是 generic，中文意思是通用的、一类的，结合其应用场景，我理解泛型是一种 通用类型。但我们一般指泛型都是指其实现方式，也就是 将类型参数化

对于 Java 这种强类型语言来说，如果没有泛型的话，处理相同逻辑不同类型的需求会非常麻烦。

如果想写一个对 int 型数据的快速排序，我们编码为（不是主角，网上随便找的=_=）：

 public static void quickSort(int[] data, int start, int end) {
        int key = data[start];
        int i = start;
        int j = end;
        while (i < j) {
            while (data[j] > key && j > i) {
                j--;
            }
            data[i] = data[j];

            while (data[i] < key && i < j) {
                i++;
            }
            data[j] = data[i];
        }
        data[i] = key;

        if (i - 1 > start) {
            quickSort(data, start, i - 1);
        }
        if (i + 1 < end) {
            quickSort(data, i + 1, end);
        }
    }

可是如果需求变了，现在需要实现 int 和 long 两种数据类型的快排，那么我们需要利用 Java 类方法重载功能，复制以上代码，将参数类型改为 double 粘贴一遍。可是，如果还要实现 float、double 甚至字符串、各种类的快速排序呢，难道每添加一种类型就要复制粘贴一遍代码吗，这样未必太不优雅。

当然我们也可以声明传入参数为 Object，并在比较两个元素大小时，判断元素类型，并使用对应的方法比较。这样，代码就会恶心在类型判断上了。不优雅的范围小了一点，并不能解决问题。

这时，我们考虑使用通用类型（泛型），将快排方法的参数设置为一个通用类型，无论什么样的参数，只要实现了 Comparable 接口，都可以传入并排序。

    public static  <T extends Comparable<T>> void quickSort(T[] data, int start, int end) {
        T key = data[start];
        int i = start;
        int j = end;
        while (i < j) {
            while (data[j].compareTo(key) > 0 && j > i) {
                j--;
            }
            data[i] = data[j];

            while (data[i].compareTo(key) < 0 && i < j) {
                i++;
            }
            data[j] = data[i];
        }
        data[i] = key;

        if (i - 1 > start) {
            quickSort(data, start, i - 1);
        }
        if (i + 1 < end) {
            quickSort(data, i + 1, end);
        }
    }

那么，可以总结一下泛型的应用场景了，当遇到以下场景时，我们可以考虑使用泛型：

当参数类型不明确，可能会扩展为多种时。
想声明参数类型为 Object，并在使用时用 instanceof 判断时。

需要注意，泛型只能替代Object的子类型，如果需要替代基本类型，可以使用包装类，至于为什么，会在下文中说明。

使用

然后我们来看一下，泛型怎么用。

声明

泛型的声明使用 <占位符 [,另一个占位符] > 的形式，需要在一个地方同时声明多个占位符时，使用 , 隔开。占位符的格式并无限制，不过一般约定使用单个大写字母，如 T 代表类型（type），E 代表元素*（element）等。虽然没有严格规定，不过为了代码的易读性，最好使用前检查一下约定用法。

泛型指代一种参数类型，可以声明在类、方法和接口上。

我们最常把泛型声明在类上：

    class Generics<T> { // 在类名后声明引入泛型类型
        private T field;  // 引入后可以将字段声明为泛型类型

        public T getField() { // 类方法内也可以使用泛型类型
            return field;
        }
    }

把泛型声明在方法上时：

    public [static] <T> void testMethod(T arg) { // 访问限定符[静态方法在 static] 后使用 <占位符> 声明泛型方法后，在参数列表后就可以使用泛型类型了
        // doSomething
    }

最后是在接口中声明泛型，如上面的快排中，我们使用了 Comparable<T> 的泛型接口，与此类似的还有 Searializable<T> Iterable<T>等，其实在接口中声明与在类中声明并没有什么太大区别。

调用

然后是泛型的调用，泛型的调用和普通方法或类的调用没有什么大的区别，如下：

    public static void main(String[] args) {
        String[] strArr = new String[2];
        // 泛型方法的调用跟普通方法相同
		Generics.quickSort(strArr, 0, 30 );

		// 泛型类在调用时需要声明一种精确类型
        Generics<Long> sample = new Generics<>();
        Long field = sample.getField();
    }

    // 泛型接口需要在泛型类里实现
    class GenericsImpl<T> implements Comparable<T> {
    @Override
    public int compareTo(T o) {
        return 0;
    }
}

类型擦除

讲泛型不可不提类型擦除，只有明白了类型擦除，才算明白了泛型，也就可以避开使用泛型时的坑。

由来

严格来说，Java的泛型并不是真正的泛型。Java 的泛型是 JDK1.5 之后添加的特性，为了兼容之前版本的代码，其实现引入了类型擦除的概念。

类型擦除指的是：Java 的泛型代码在编译时，由编译器进行类型检查，之后会将其泛型类型擦除掉，只保存原生类型，如 Generics<Long> 被擦除后是 Generics，我们常用的 List<String> 被擦除后只剩下 List。

接下来的 Java 代码在运行时，使用的还是原生类型，并没有一种新的类型叫泛型。这样，也就兼容了泛型之前的代码。

如以下代码：

    public static void main(String[] args) {
        List<String> stringList = new ArrayList<>();
        List<Long> longList = new ArrayList<>();

        if (stringList.getClass() == longList.getClass()) {
            System.out.println(stringList.getClass().toString());
            System.out.println(longList.getClass().toString());
			System.out.println("type erased");
        }
    }

结果 longList 和 stringList 输出的类型都为 class java.util.ArrayList，两者类型相同，说明其泛型类型被擦除掉了。

实际上，实现了泛型的代码的字节码内会有一个 signature 字段，其中指向了常量表中泛型的真正类型，所以泛型的真正类型，还可以通过反射获取得到。

实现

那么类型擦除之后，Java 是如何保证泛型代码执行期间没有问题的呢？

我们将一段泛型代码用 javac 命令编译成 class 文件后，再使用 javap 命令查看其字节码信息：

我们会发现，类型里的 T 被替换成了 Object 类型，而在 main 方法里 getField 字段时，进行了类型转换(checkcast)，如此，我们可以看出来 Java 的泛型实现了，一段泛型代码的编译运行过程如下：

编译期间编译器检查传入的泛型类型与声明的泛型类型是否匹配，不匹配则报出编译器错误；
编译器执行类型擦除，字节码内只保留其原始类型；
运行期间，再将 Object 转换为所需要的泛型类型。

也就是说：Java 的泛型实际上是由编译器实现的，将泛型类型转换为 Object 类型，在运行期间再进行状态转换。

实践问题

由上，我们来看使用泛型时需要注意的问题：

具体类型须为Object子类型

上文中提到实现泛型时声明的具体类型必须为 Object 的子类型，这是因为编译器进行类型擦除后会使用 Object 替换泛型类型，并在运行期间进行类型转换，而基础类型和 Object 之间是无法替换和转换的。

如：Generics<int> generics = new Generics<int>(); 在编译期间就会报错的。

边界限定通配符的使用

泛型虽然为通用类型，但也是可以设置其通用性的，于是就有了边界限定通配符，而边界通配符要配合类型擦除才好理解。

<? extends Generics> 是上边界限定通配符，避开 上边界 这个比较模糊的词不谈，我们来看其声明 xx extends Generics， XX 是继承了 Generics 的类（也有可能是实现，下面只说继承），我们按照以下代码声明：

List<? extends Generics> genericsList = new ArrayList<>();
Generics generics = genericsList.get(0);
genericsList.add(new Generics<String>()); // 编译无法通过

我们会发现最后一行编译报错，至于为什么，可以如此理解：XX 是继承了 Generics 的类，List 中取出来的类一定是可以转换为 Generics，所以 get 方法没问题；而具体是什么类，我们并不知道，将父类强制转换成子类可能会造成运行期错误，所以编译器不允许这种情况；

而同理 <? super Generics> 是下边界限定通配符， XX 是 Generics 的父类，所以：

List<? super Generics> genericsList = new ArrayList<>();
genericsList.add(new Generics()); // 编译无法通过
Generics generics = genericsList.get(0);

使用前需要根据这两种情况，考虑需要 get 还是 set，进而决定用哪种边界限定通配符。

最佳实践

当然，泛型并不是一个万能容器。什么类型都往泛型里扔，还不如直接使用 Object 类型。

什么时候确定用泛型，如何使用泛型，这些问题的解决不仅仅只依靠编程经验，我们使用开头快排的例子整理一下泛型的实践方式：

将代码逻辑拆分为两部分：通用逻辑和类型相关逻辑；通用逻辑是一些跟参数类型无关的逻辑，如快排的元素位置整理等；类型相关逻辑，顾名思义，是需要确定类型后才能编写的逻辑，如元素大小的比较，String 类型的比较和 int 类型的比较就不一样。
如果没有类型相关的逻辑，如 List 作为容器不需要考虑什么类型，那么直接完善通用代码即可。
如果有参数类型相关的逻辑，那么就需要考虑这些逻辑是否已有共同的接口实现，如果已有共同的接口实现，可以使用边界限定通配符。如快排的元素就实现了 Compare 接口，Object 已经实现了 toString() 方法，所有的打印语句都可以调用它。
如果还没有共同的接口，那么需要考虑是否可以抽象出一个通用的接口实现，如打印人类的衣服颜色和动物的毛皮颜色，就可以抽象出一个 getColor() 接口，抽象之后再使用边界限定通配符。
如果无法抽象出通用接口，如输出人类身高或动物体重这种，还是不要使用泛型了，因为不限定类型的话，具体类型的方法调用也就无从谈起，编译也无法通过。

我将以上步骤整理了一个流程图，按照这个图，我们可以快速得出能不能用泛型，怎么用泛型。

小结

好好理了一下泛型，感觉收获颇多，Java 迷雾被拨开了一些。这些特性确实挺难缠，每当自己觉得已经理解得差不多的时候，过些日子又觉得当初理解得还不够。重要的还是要实践，在使用时会很容易发现疑惑的地方。

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May 14, 2018 - Java高级特性之泛型

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