Java 泛型详解：泛型类、泛型接口、泛型方法

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 2022-08-27
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原文地址：https://my.oschina.net/u/4339514/blog/4181427

泛型按照使用方法分为三种情况：

  1. 泛型类
  2. 泛型接口
  3. 泛型方法

泛型类

  • 泛型允许我们使用类型参数Type parameter，它用一个自定义的标识符(T、V、E)来代表一个类型，用< >括住，放在类名后面。然后在类定义中所有使用该类型的地方都用这个标识符来代替，因为在定义这个类的时候还不知道这个具体类型到底是哪个类型。
  • 可使用类型参数Type parameter的地方：声明变量、形参、返回值、强制类型转换。注意不可以用于构造器。
  • 在 使用泛型类 时（区别于 定义泛型类 时），< >里面的类型必须被具体类型或定义泛型类时的类型参数所确定。如果是被定义泛型类时的类型参数确定的这种情况，则是把确定类型的任务交给了定义泛型类，这种情况常出现在泛型类的继承、或内部类。
  • 泛型与多态不冲突。当使用泛型类class store<phone>时，你既可以使用phone，也可以使用vivoPhone。

泛型类的继承

    class two<A,B> {//定义泛型类
    }
    class three<C> extends two<A, B> {//报错can't resolve symbol 'A',can't resolve symbol 'B'
    }
    
    class two<A,B> {
    }
    class three<A,B,C> extends two<A, B> {
    }

在第一段代码中，类three的声明会报错，而第二段不会。这是因为，class three<A,B,C>属于声明泛型类，而extends two<A, B>属于使用泛型类。使用泛型类的时候类型参数必须被确定，这里extends two<A, B>中的A,B被泛型类class three<A,B,C>的声明里的A,B所确定。
虽然extends two<A, B>中的A,B不是具体类型却还是类型参数，但有了声明泛型类class three<A,B,C>的保证，A,B最终能被具体类型所确定。

泛型与内部类

此例实现了一个简单的栈，内部原理是链式存储。

    // A stack implemented with an internal linked structure.
    
    public class LinkedStack<T> {//声明泛型类
        private static class Node<U> {//声明泛型类
            U item;
            Node<U> next;
            Node() { item = null; next = null; }
            Node(U item, Node<U> next) {
                this.item = item;
                this.next = next;
            }
            boolean end() { return item == null && next == null; }
        }
        private Node<T> top = new Node<T>(); //使用泛型类，但这里被定义泛型类的类型参数确定
        public void push(T item) {
            top = new Node<T>(item, top);
        }   
        public T pop() {
            T result = top.item;
            if(!top.end())
                top = top.next;
            return result;
        }
        public static void main(String[] args) {
            LinkedStack<String> lss = new LinkedStack<String>();
            for(String s : "Phasers on stun!".split(" "))
                lss.push(s);
            String s;
            while((s = lss.pop()) != null)
                System.out.println(s);
        }
    } /* Output:
    stun!
    on
    Phasers
    *///:~

类LinkedStack中有个内部类Node，它们都是泛型类。在定义泛型类Node时，类型参数没有被确定，当然也不需要被确定。在使用泛型类private Node<T> top = new Node<T>()时，Node的类型参数被定义泛型类LinkedStack的T所确定，因为这句private Node<T> top = new Node<T>()处于LinkedStack的类定义中，所以这样用也合理。

泛型接口

  • 各方面和泛型类都是类似的。自定义的标识符(T、V、E)来代表一个类型，用< >括住，放在接口名后面。
  • 在 使用泛型接口 时，< >里面的类型必须被具体类型、定义泛型类或泛型接口时的类型参数所确定。不过一般泛型接口多被具体类型确定。

泛型接口的实现

    interface two<A>{
    
    }
    class three<A,B> implements two<A>{
    
    }
    interface four<A,B> extends two<A>{
        
    }

上例说明了使用泛型接口时，可以被定义泛型类或泛型接口时的类型参数所确定。

    interface two<A>{
        A f(A a);
    }
    class impl implements two<Object>{
        public Object f(Object a){
            return new Object();
        }
    }

当使用泛型接口时，确定好的具体类型要覆盖掉原来的所有使用类型参数的地方。比如类impl中的f方法中，所有使用A的地方都要用Object替换掉。

泛型方法

  • 自定义的标识符(T、V、E)来代表一个类型，用< >括住，放在方法返回值前面。可以被用到形参声明、方法返回值、方法定义中的变量声明和类型转换。
  • 泛型方法使得该泛型方法的类型参数独立于类而产生变化。泛型方法和泛型类没有关系。
  • 泛型方法的类型参数，一般情况下都是被推断inference出来。更具体地讲，只能被形参或返回值推断出来，当形参和返回值用了同一个类型参数时，二者推断出来的类型必须一样、或者符合多态。
  • 形参的类型参数通过实参确定；返回值的类型参数通过方法返回值赋值的对象确定。这也就是 类型参数推断 。
  • 当形参的类型参数和返回值的类型参数是同一个时，优先使用形参的推断。因为返回值的类型参数的推断是一种拖延行为。
  • 类的成员方法可以使用定义泛型类的类型参数（注意，这种方法不是泛型方法，只不过使用了类型参数而已）；而类的静态方法不可以使用泛型类的类型参数，这是因为只有当创建泛型类对象时类型参数才会被具体类型确定，也就是说，泛型类的类型参数是与对象相关的。那么，很自然地，作为一个static方法肯定不可以使用泛型类的类型参数。 static方法想用到泛型只能将其定义为泛型方法。

形参的类型参数通过实参确定

    class GenericMethods {
        public <T> void f(T x) {
            System.out.println(x.getClass().getName());
        }
        public void testInt(){
            f(1);
        }
    }
    
    public class testP {
        public static void main(String[] args) {
            GenericMethods gm = new GenericMethods();
            gm.f("");
            gm.f(1);
            gm.f(1.0);
            gm.f(1.0F);
            gm.f('c');
            gm.f(gm);
            gm.testInt();
        }
    }

f方法是一个泛型方法，返回值是void，形参是< >里的T。调用泛型方法，既可以通过对象来调用，例如gm.f("");，此时T被推断为String类型；也可以在除该泛型方法外，且类定义中调用，例如testInt()方法中，此时T被推断为int类型。
泛型方法和自动打包让f方法看起来像是被无限重载了一样。

泛型方法被多个形参推断

    public class Test {  
        public static void main(String[] args) {  
    
            /**依靠类型参数推断*/  
            int i = Test.add(1, 2); //这两个参数都是Integer，所以T为Integer类型  
            Number f = Test.add(1, 1.2); //这两个参数一个是Integer，以风格是Float，所以取同一父类的最小级，为Number  
            Object o = Test.add(1, "asd"); //这两个参数一个是Integer，以风格是Float，所以取同一父类的最小级，为Object  
    
            /**显式的类型说明*/  
            int a = Test.<Integer>add(1, 2); //指定了Integer，所以只能为Integer类型或者其子类  
            int b = Test.<Integer>add(1, 2.2); //编译错误，指定了Integer，不能为Float  
            Number c = Test.<Number>add(1, 2.2); //指定为Number，所以可以为Integer和Float  
        }  
    
        //这是一个简单的泛型方法  
        public static <T> T add(T x,T y){  
            return y;  
        }  
    }

add方法的两个形参都使用到了类型参数T，即使用了同一个类型参数。那么在推断的时候会依靠两个实参的共同最小父类来推断（就好像数学里的最小公倍数）。

返回值的类型参数通过方法返回值赋值的对象确定

    class GenericMethods {
        public <T> T f2(Object x) {
            System.out.println(x.getClass().getName());
            return (T)x;
        }
    }
    
    public class testP {
        public static void main(String[] args) {
            GenericMethods gm = new GenericMethods();
            int o1 = gm.f2(2);
            String o2 = gm.f2(2);//能通过编译，但运行时报错
            gm.f2(1.2);//
        }
    }

f2方法是一个泛型方法，返回值是< >里的T，形参是Object x。

  • 执行int o1 = gm.f2(2)后，由于f2方法返回值赋值给了一个int变量，那么这里T就被推断为了int，并且在f2方法的运行过程中，所有使用T的地方都会替换为int，所以return (T)x;实际是执行的return (int)x;。所以，整个运行过程是，2被向上转型为Object，然后强行cast为了int，最后被返回出来。
  • 执行String o2 = gm.f2(2)后，由于这里T就被推断为了String，一个实际为2的Object对象在向上转型为String类型时，会受到RTTI的检查，被发现无法转型后便报错。
  • 执行gm.f2(1.2)后，由于返回值没有赋值给对象，所以T没有被推断出来，也不需要被推断出来。因为没有进行赋值，返回值并不关心。

形参和返回值用了同一个类型参数

    class A{}
    class B extends A{}
    
    class GenericMethods {
        public <T> T f1(T x) {
            System.out.println(x.getClass().getName());
            return x;
        }
    }
    
    public class testP {
        public static void main(String[] args) {
            GenericMethods gm = new GenericMethods();
            int i = gm.f1(1);
            //String s = gm.f1(1);
            A a = gm.f1(new B());
            //B b = gm.f1(new A());
        }
    }

f1方法是一个泛型方法，返回值是< >里的T，形参也是< >里的T。这种情况只使用形参的类型推断，因为靠返回值推断是一种推延行为。

  • 执行int i = gm.f1(1)时，形参处的T被推断为int，所以没有问题。
  • 执行String s = gm.f1(1)时，形参处的T被推断为int，然后返回值int赋值给一个String类型，所以这里编译报错。
  • 执行A a = gm.f1(new B())时，形参处的T被推断为B。然后返回值B对象赋值给一个A类型，这里向上转型。
  • 执行B b = gm.f1(new A())时，形参处的T被推断为A。然后返回值A对象赋值给一个B类型，这里向下转型，不可以，编译报错。
  • 这里如果是B b = (B) gm.f1(new A())则能够编译通过。这里把工作交给了强制类型转换，编译器便不会报错了，但运行报错。

泛型方法定义中的类型推断

    import java.util.ArrayList;
    import java.util.HashMap;
    import java.util.List;
    import java.util.Map;
    
    public class New {
        public static <K,V> Map map() {
            return new HashMap<K,V>();//泛型方法定义中使用类型参数
        }
        public static <T> List list() {
            return new ArrayList<T>();
        }
        public static void main(String[] args) {
            Map<String,List<String>> sls = New.map();
            List<String> ls = New.list();
        }
    }

注意这种情况一般都是发生在return语句里。通过泛型方法的赋值，推断出了泛型方法定义中的类型参数的具体类型。

静态方法不可以使用泛型类定义的类型参数

    class two<A>{
        public void f(A a){//只是一个使用了类型参数的成员方法
            System.out.println(a);
        }
    
    //    public static void f1(A a){//静态方法不可以使用泛型类定义的类型参数
    //        System.out.println(a);
    //    }
    
        public static <A> void staticF(A a){//泛型方法，静态方法
            System.out.println(a);
        }
    
        public <A> void memberF(A a){//泛型方法，成员方法
            System.out.println(a);
        }
    }

注意staticF方法里的A和two<A>里的A没有任何关系。同样，memberF方法里的A和two<A>里的A没有任何关系。因为这二者都是泛型方法。
two<A>里的A是与对象相关的，只有创建对象时才能确定。f1是静态方法，自然不可能与对象相关的东西有关系。

泛型方法返回值赋值给形参

这种情况区别于泛型方法返回值赋值给变量。

    import java.util.HashMap;
    import java.util.Map;
    
    class LimitsOfInference {
        static void f(Map<String,Integer> petPeople) {
    
        }
        public static void main(String[] args) {
             f(New.map()); //报一个警告
        }
    }
    
    public class New {
        public static <K,V> Map map() {
            return new HashMap<K,V>();
        }
    }

警告内容为：

202208272117349421.png
说明泛型方法中的类型参数并没有被推断出来，所以这里泛型方法返回值只知道是个Map。

而为了这里不报警告，则需要使用 显示的类型说明 ，在调用泛型方法时，在点操作符和方法名之间插入尖括号，然后把具体类型放在里面。这种语法很少见，在这样的非赋值语句中，才需要用到，一般用类型参数推断就可以解决。

    import java.util.HashMap;
    import java.util.Map;
    
    class LimitsOfInference {
        static void f(Map<String,Integer> petPeople) {
    
        }
        public static void main(String[] args) {
             f(New.<String,Integer>map()); //不报任何警告
        }
    }
    public class New {
        public static <K,V> Map map() {
            return new HashMap<K,V>();
        }
    }

可变参数和泛型方法

    import java.util.*;
    
    public class GenericVarargs {
        public static <T> List<T> makeList(T... args) {
            List<T> result = new ArrayList<T>();
            for(T item : args)
                result.add(item);
            return result;
        }
        public static void main(String[] args) {
            List<String> ls = makeList("A");
            System.out.println(ls);
            ls = makeList("A", "B", "C");
            System.out.println(ls);
            ls = makeList("ABCDEFFHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ".split(""));
            System.out.println(ls);
        }
    } /* Output:
    [A]
    [A, B, C]
    [, A, B, C, D, E, F, F, H, I, J, K, L, M, N, O, P, Q, R, S, T, U, V, W, X, Y, Z]
    *///:~

makeList方法的功能类似于java.util.Arrays.asList()的功能。

泛型类和泛型方法

此例中泛型类和泛型方法同时存在。有一个泛型接口Generator用来产生某种对象。CountedObject类必须有默认构造器因为newInstance。

    interface Generator<T> {
        T next();
    }
    
    class CountedObject {
        private static long counter = 0;
        private final long id = counter++;// 用于记录创建对象的次数
        public long getId() {
            return id;
        }
        public String toString() {
            return "CountedObject" + id;
        }
    }
    
    public class BasicGenerator<T> implements Generator<T> {
        private Class<T> type;
        public BasicGenerator(Class<T> type) {
            this.type = type;
        }
        
        @Override
        public T next() {
            try {
                return type.newInstance();
            } catch (InstantiationException | IllegalAccessException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
        
        public static <T> Generator<T> create(Class<T> type) {//静态泛型方法
            return new BasicGenerator<T>(type);
        }
      
        public static void main(String[] args) {
            Generator<CountedObject> gen = BasicGenerator.create(CountedObject.class);
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println(gen.next());
            }
        }
    }
  • create方法是静态的泛型方法，而泛型类 BasicGenerator 的类型参数是与对象相关的，所以 create方法里的 T 不是泛型类的 T。或者说，在create方法里，create方法的<T>暂时隐藏了BasicGenerator<T>的<T>，这使得泛型方法的类型参数独立于对象。
  • 此例体现了泛型方法的好处，由于泛型方法的类型参数推断，所以这里允许执行BasicGenerator.create(CountedObject.class)，而不是去执行麻烦的new BasicGenerator<CountedObject>(CountedObject.class)。简单的说，让你少写了尖括号。
  • 注意一下create方法的return语句和返回值，可以看出Generator<CountedObject>是BasicGenerator<CountedObject>的父类。注意这种与泛型有关的多态。

泛型类中的成员泛型方法和静态泛型方法

对上例进行修改，使其同时拥有成员的泛型方法和静态的泛型方法，且这两种泛型方法使用的类型参数和泛型类的类型参数是同一个（都用的T）。staticCreate和memberCreate的返回值都进行了修改，使其返回子类BasicGenerator而不是父接口Generator，这是为了对象方便调用新增加的成员方法。

    //前面省略
    public class BasicGenerator<T> implements Generator<T> {
        private Class<T> type;
        public BasicGenerator(Class<T> type) {
            this.type = type;
        }
    
        @Override
        public T next() {
            try {
                return type.newInstance();
            } catch (InstantiationException | IllegalAccessException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    
        public static <T> BasicGenerator<T> staticCreate(Class<T> type) {//静态的泛型方法
            return new BasicGenerator<T>(type);
        }
    
        public <T> BasicGenerator<T> memberCreate(Class<T> type) {//成员的泛型方法
            return new BasicGenerator<T>(type);
        }
    
        public <T> void test (T t) {//成员的泛型方法
            System.out.println(t.getClass().getName());
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            BasicGenerator<CountedObject> gen = BasicGenerator.staticCreate(CountedObject.class);
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println(gen.next());
            }
            gen.test("");//这里独立于类，泛型方法test推断出了自己的类型参数T为String，而不是gen对象确定的CountedObject
            gen.test(1);
            BasicGenerator<String> gen1 = gen.memberCreate(String.class);
            System.out.println(gen1.type.getName());
        }
    }/*output:
    CountedObject0
    CountedObject1
    CountedObject2
    CountedObject3
    CountedObject4
    java.lang.String
    java.lang.Integer
    java.lang.String
    */

从运行结果可以看出：泛型方法不管是静态的还是成员的，就算和泛型类使用了同一个类型参数T， 在泛型方法中也会暂时隐藏泛型类的类型参数，而使用自己的类型参数，并且把确定具体类型的任务交给了类型参数推断 。这样，就做到了 泛型方法能够独立于泛型类的类型参数而产生变化 。

匿名内部类和泛型

本例使用了匿名内部类来继承并实现泛型接口。

    interface Generator<T> {//定义泛型接口
        T next();
    }
    
    class Customer {
        private static long counter = 1;
        private final long id = counter++;
        private Customer() {}
        public String toString() { return "Customer " + id; }
        // A method to produce Generator objects:
        public static Generator<Customer> generator() {
            return new Generator<Customer>() {//使用泛型接口
                public Customer next() { return new Customer(); }
            };
        }
    }

return new Generator<Customer>()这里属于使用泛型接口，既然是使用，那么必须把类型参数确定下来，并且把使用了类型参数的地方进行替换，替换为Customer。继承并实现泛型类的匿名内部类同理。

个人理解总结

  • 泛型的类型参数看起来就像是让代码变成了一套模板，当给定具体类型时，模板里的类型参数就会被替换以生效。
  • 泛型这种类似“模板”的灵活性，在使用泛型时（生成泛型类对象）得以体现，但在使用泛型后（在泛型类对象上调用方法）失去。

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