初步认识 ArrayList<>
ArrayList
ArrayList一种模板：ArrayList<T>，代码如下：
public class ArrayList<T> {
private T[] array;
private int size;
public void add(T e) {...}
public void remove(int index) {...}
public T get(int index) {...}
}
T可以是任何class。这样一来，我们就实现了：编写一次模版，可以创建任意类型的ArrayList：
// 创建可以存储String的ArrayList:
ArrayList<String> strList = new ArrayList<String>();
// 创建可以存储Float的ArrayList:
ArrayList<Float> floatList = new ArrayList<Float>();
// 创建可以存储Person的ArrayList:
ArrayList<Person> personList = new ArrayList<Person>();
因此，泛型就是定义一种模板，例如ArrayList<T>，然后在代码中为用到的类创建对应的ArrayList<类型>：
ArrayList<String> strList = new ArrayList<String>();
由编译器针对类型作检查：
strList.add("hello"); // OK
String s = strList.get(0); // OK
strList.add(new Integer(123)); // compile error!
Integer n = strList.get(0); // compile error!
这样一来，既实现了编写一次，万能匹配，又通过编译器保证了类型安全：这就是泛型。
向上转型
注意泛型的继承关系：可以把ArrayList<Integer>向上转型为List<Integer>（T不能变！），但不能把ArrayList<Integer>向上转型为ArrayList<Number>（T不能变成父类）。
使用泛型
泛型的声明
使用ArrayList时，如果不定义泛型类型时，泛型类型实际上就是Object：
// 编译器警告:
List list = new ArrayList();
list.add("Hello");
list.add("World");
String first = (String) list.get(0);
String second = (String) list.get(1);
此时，只能把<T>当作Object使用，没有发挥泛型的优势。
当我们定义泛型类型<String>后，List<T>的泛型接口变为强类型List<String>：
// 无编译器警告:
List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("Hello");
list.add("World");
// 无强制转型:
String first = list.get(0);
String second = list.get(1);
我们定义泛型类型<Number>后，List<T>的泛型接口变为强类型List<Number>：
List<Number> list = new ArrayList<Number>();
list.add(new Integer(123));
list.add(new Double(12.34));
Number first = list.get(0);
Number second = list.get(1);
编译器如果能自动推断出泛型类型，就可以省略后面的泛型类型。例如，对于下面的代码：
List<Number> list = new ArrayList<Number>();
编译器看到泛型类型List<Number>就可以自动推断出后面的ArrayList<T>的泛型类型必须是ArrayList<Number>，因此，可以把代码简写为：
// 可以省略后面的Number，编译器可以自动推断泛型类型：
List<Number> list = new ArrayList<>();
泛型的接口
除了ArrayList<T>使用了泛型，还可以在接口中使用泛型。例如，Arrays.sort(Object[])可以对任意数组进行排序，但待排序的元素必须实现Comparable<T>这个泛型接口：
public interface Comparable<T> {
/**
* 返回负数: 当前实例比参数o小
* 返回0: 当前实例与参数o相等
* 返回正数: 当前实例比参数o大
*/
int compareTo(T o);
}
可以直接对String数组进行排序：
// sort import java.util.Arrays; public class Main { public static void main(String[] args) {
String[] ss = new String[] { "Orange", "Apple", "Pear" };
Arrays.sort(ss);
System.out.println(Arrays.toString(ss));
这是因为String本身已经实现了Comparable<String>接口。如果换成我们自定义的Person类型试试：
// sort
import java.util.Arrays;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Person[] ps = new Person[] {
new Person("Bob", 61),
new Person("Alice", 88),
new Person("Lily", 75),
};
Arrays.sort(ps);
System.out.println(Arrays.toString(ps));
}
}
class Person implements Comparable<Person> {
String name;
int score;
Person(String name, int score) {
this.name = name;
this.score = score;
}
public int compareTo(Person other) { //也就是说根据名字来排序
return this.name.compareTo(other.name);
}
public String toString() {
return this.name + "," + this.score;
}
}
编写泛型
普通方法
首先，按照某种类型，例如：String，来编写类：
public class Pair {
private String first;
private String last;
public Pair(String first, String last) {
this.first = first;
this.last = last;
}
public String getFirst() {
return first;
}
public String getLast() {
return last;
}
}
然后，标记所有的特定类型，这里是String：
public class Pair {
private String first;
private String last;
public Pair(String first, String last) {
this.first = first;
this.last = last;
}
public String getFirst() {
return first;
}
public String getLast() {
return last;
}
}
最后，把特定类型String替换为T，并申明<T>：
public class Pair<T> {
private T first;
private T last;
public Pair(T first, T last) {
this.first = first;
this.last = last;
}
public T getFirst() {
return first;
}
public T getLast() {
return last;
}
}
静态方法
对于静态方法，凡是涉及到<T> 类型的，在理解上，我们可以想象它就是一个 C++ 中的模板函数，需要模板声明，虽然 JAVA 中没有 template 关键字，但是他又一个 <T> 就代表了。之后我们可以将其放到类中加上 static 进行类的封装。这样就很容易理解下面的写法。
public class Pair<T> {
private T first;
private T last;
public Pair(T first, T last) {
this.first = first;
this.last = last;
}
public T getFirst() { ... }
public T getLast() { ... }
// 静态泛型方法应该使用其他类型区分:
public static <K> Pair<K> create(K first, K last) {
return new Pair<K>(first, last);
}
}
多个泛型类型
public class Pair<T, K> {
private T first;
private K last;
public Pair(T first, K last) {
this.first = first;
this.last = last;
}
public T getFirst() { ... }
public K getLast() { ... }
}
使用的时候，需要指出两种类型：
Pair<String, Integer> p = new Pair<>("test", 123);
联想：现在 C++ 中模板类的参数已经可以自动推导了。
JAVA中的泛型实现“擦拭法”和局限性
所谓擦拭法是指，虚拟机对泛型其实一无所知，所有的工作都是编译器做的。
例如，我们编写了一个泛型类Pair<T>，这是编译器看到的代码：
public class Pair<T> {
private T first;
private T last;
public Pair(T first, T last) {
this.first = first;
this.last = last;
}
public T getFirst() {
return first;
}
public T getLast() {
return last;
}
}
而虚拟机根本不知道泛型。这是虚拟机执行的代码：
public class Pair {
private Object first;
private Object last;
public Pair(Object first, Object last) {
this.first = first;
this.last = last;
}
public Object getFirst() {
return first;
}
public Object getLast() {
return last;
}
}
因此，Java使用擦拭法实现泛型，导致了：
- 编译器把类型
<T>视为Object； - 编译器根据
<T>实现安全的强制转型。
使用泛型的时候，我们编写的代码也是编译器看到的代码：
Pair<String> p = new Pair<>("Hello", "world");
String first = p.getFirst();
String last = p.getLast();
而虚拟机执行的代码并没有泛型：
Pair p = new Pair("Hello", "world");
String first = (String) p.getFirst();
String last = (String) p.getLast();
所以，Java的泛型是由编译器在编译时实行的，编译器内部永远把所有类型T视为Object处理，但是，在需要转型的时候，编译器会根据T的类型自动为我们实行安全地强制转型。
了解了Java泛型的实现方式——擦拭法，我们就知道了Java泛型的局限：
- 局限一：
<T>不能是基本类型，例如int，因为实际类型是Object，Object类型无法持有基本类型：
Pair<int> p = new Pair<>(1, 2); // compile error!
- 局限二：无法取得带泛型的
Class。观察以下代码：
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Pair<String> p1 = new Pair<>("Hello", "world");
Pair<Integer> p2 = new Pair<>(123, 456);
Class c1 = p1.getClass();
Class c2 = p2.getClass();
System.out.println(c1==c2); // true
System.out.println(c1==Pair.class); // true
}
}
class Pair<T> {
private T first;
private T last;
public Pair(T first, T last) {
this.first = first;
this.last = last;
}
public T getFirst() {
return first;
}
public T getLast() {
return last;
}
}
因为T是Object，我们对Pair<String>和Pair<Integer>类型获取Class时，获取到的是同一个Class，也就是Pair类的Class。
换句话说，所有泛型实例，无论T的类型是什么，getClass()返回同一个Class实例，因为编译后它们全部都是Pair<Object>。
- 局限三：instanceof无法判断带泛型的类型：
Pair<Integer> p = new Pair<>(123, 456);
// Compile error:
if (p instanceof Pair<String>) {
}
原因和前面一样，并不存在Pair<String>.class，而是只有唯一的Pair.class。
- 局限四：不能实例化
T类型：
public class Pair<T> {
private T first;
private T last;
public Pair() {
// Compile error:
first = new T();
last = new T();
}
}
上述代码无法通过编译，因为构造方法的两行语句：
first = new T();
last = new T();
擦拭后实际上变成了：
first = new Object();
last = new Object();
这样一来，创建new Pair<String>()和创建new Pair<Integer>()就全部成了Object，显然编译器要阻止这种类型不对的代码。
在 C++ 中不存在这样的问题，Type 是什么类型，就是什么类型。我们可以得到该类型然后融入 STL 。
要实例化T类型，我们必须借助额外的Class<T>参数：
也就是创建一个带参(具体的类Class)的构造函数
public class Pair<T> {
private T first;
private T last;
public Pair(Class<T> clazz) {
first = clazz.newInstance();
last = clazz.newInstance();
}
}
上述代码借助Class<T>参数并通过反射来实例化T类型，使用的时候，也必须传入Class<T>。例如：
Pair<String> pair = new Pair<>(String.class);
因为传入了Class<String>的实例，所以我们借助String.class就可以实例化String类型。
泛型覆写方法可能会出错
有些时候，一个看似正确定义的方法会无法通过编译。例如：
public class Pair<T> {
public boolean equals(T t) {
return this == t;
}
}
这是因为，定义的equals(T t)方法实际上会被擦拭成equals(Object t)，而这个方法是继承自Object的，编译器会阻止一个实际上会变成覆写的泛型方法定义。
换个方法名，避开与Object.equals(Object)的冲突就可以成功编译：
public class Pair<T> {
public boolean same(T t) {
return this == t;
}
}
泛型继承
一个类可以继承自一个泛型类。例如：父类的类型是Pair<Integer>，子类的类型是IntPair，可以这么继承：
public class IntPair extends Pair<Integer> {
}
使用的时候，因为子类IntPair并没有泛型类型，所以，正常使用即可：
IntPair ip = new IntPair(1, 2);
前面讲了，我们无法获取Pair<T>的T类型，即给定一个变量Pair<Integer> p，无法从p中获取到Integer类型。
但是，在父类是泛型类型的情况下，编译器就必须把类型T（对IntPair来说，也就是Integer类型）保存到子类的class文件中，不然编译器就不知道IntPair只能存取Integer这种类型。
在继承了泛型类型的情况下，子类可以获取父类的泛型类型。例如：IntPair可以获取到父类的泛型类型Integer。获取父类的泛型类型代码比较复杂：
以下代码还未充分理解！总之，子类可以获取父类的泛型类型<T>。
import java.lang.reflect.ParameterizedType; import java.lang.reflect.Type; public class Main { public static void main(String[] args) {
Class<IntPair> clazz = IntPair.class;
Type t = clazz.getGenericSuperclass();
if (t instanceof ParameterizedType) {
ParameterizedType pt = (ParameterizedType) t;
Type[] types = pt.getActualTypeArguments(); // 可能有多个泛型类型
Type firstType = types[0]; // 取第一个泛型类型
Class<?> typeClass = (Class<?>) firstType;
System.out.println(typeClass); // Integer
}
}
}
class Pair<T> {
private T first;
private T last;
public Pair(T first, T last) {
this.first = first;
this.last = last;
}
public T getFirst() {
return first;
}
public T getLast() {
return last;
}
}
class IntPair extends Pair<Integer> {
public IntPair(Integer first, Integer last) {
super(first, last);
}
}
因为Java引入了泛型，所以，只用Class来标识类型已经不够了。实际上，Java的类型系统结构如下：
┌────┐
│Type│
└────┘
▲
│
┌────────────┬────────┴─────────┬───────────────┐
│ │ │ │
┌─────┐┌─────────────────┐┌────────────────┐┌────────────┐
│Class││ParameterizedType││GenericArrayType││WildcardType│
└─────┘└─────────────────┘└────────────────┘└────────────┘
extends通配符
我们已知 Pair<Integer>不是Pair<Number>的子类。
我们又针对Pair<Number>类型写了一个静态方法，它接收的参数类型是Pair<Number>：
public class PairHelper {
static int add(Pair<Number> p) {
Number first = p.getFirst();
Number last = p.getLast();
return first.intValue() + last.intValue();
}
}
而问题在于该函数只能接收 Pair<Number> 而不能接受 Pair<Integer> 参数。
方法就是：从该函数的参数声明下手，加入 ? extends
而上面的 getFirst() 为只读的方法，是可以正常读取的！ 但是不可以调用修改内部变量的方法！
不可修改主要是为了安全，防止 Number 子类调用 set 函数传入另外一个子类类型
那么总结来说，就是 extends 扩大了函数的应用范围，但也使得其不可调用写函数，只可调用 读 函数。
补充一个概念。这种使用<? extends Number>的泛型定义称之为上界通配符（Upper Bounds Wildcards），即把泛型类型T的上界限定在Number了。
主要作用一：用在函数上，仅读取
如果我们考察Java标准库的java.util.List<T>接口，它实现的是一个类似“可变数组”的列表，主要功能包括：
public interface List<T> {
int size(); // 获取个数
T get(int index); // 根据索引获取指定元素
void add(T t); // 添加一个新元素
void remove(T t); // 删除一个已有元素
}
现在，让我们定义一个方法来处理列表的每个元素：
int sumOfList(List<? extends Integer> list) {
int sum = 0;
for (int i=0; i<list.size(); i++) {
Integer n = list.get(i);
sum = sum + n;
}
return sum;
}
为什么我们定义的方法参数类型是List<? extends Integer>而不是List<Integer>？从方法内部代码看，传入List<? extends Integer>或者List<Integer>是完全一样的，但是，注意到List<? extends Integer>的限制：
- 允许调用
get()方法获取Integer的引用； - 不允许调用
set(? extends Integer)方法并传入任何Integer的引用（null除外）。
因此，方法参数类型List<? extends Integer>表明了该方法内部只会读取List的元素，不会修改List的元素（因为无法调用add(? extends Integer)、remove(? extends Integer)这些方法。换句话说，这是一个对参数List<? extends Integer>进行只读的方法（恶意调用set(null)除外）。
主要作用二：用在类上，使用extends限定T类型
在定义泛型类型Pair<T>的时候，也可以使用extends通配符来限定T的类型：
public class Pair<T extends Number> { ... }
在定义泛型类型Pair<T>的时候，也可以使用extends通配符来限定T的类型：
public class Pair<T extends Number> { ... }
现在，我们只能定义：
Pair<Number> p1 = null;
Pair<Integer> p2 = new Pair<>(1, 2);
Pair<Double> p3 = null;
因为Number、Integer和Double都符合<T extends Number>。
super 通配符
我们前面已经讲到了泛型的继承关系：Pair<Integer>不是Pair<Number>的子类。
考察下面的set方法：
void set(Pair<Integer> p, Integer first, Integer last) {
p.setFirst(first);
p.setLast(last);
}
传入Pair<Integer>是允许的，但是传入Pair<Number>是不允许的。
和extends通配符相反，这次，我们希望接受Pair<Integer>类型，以及Pair<Number>、Pair<Object>，因为Number和Object是Integer的父类，setFirst(Number)和setFirst(Object)实际上允许接受Integer类型。
我们使用super通配符来改写这个方法：
void set(Pair<? super Integer> p, Integer first, Integer last) {
p.setFirst(first);
p.setLast(last);
}
注意到Pair<? super Integer>表示，方法参数接受所有泛型类型为Integer或Integer父类的Pair类型。
下面的代码可以被正常编译：
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Pair<Number> p1 = new Pair<>(12.3, 4.56);
Pair<Integer> p2 = new Pair<>(123, 456);
setSame(p1, 100);
setSame(p2, 200);
System.out.println(p1.getFirst() + ", " + p1.getLast());
System.out.println(p2.getFirst() + ", " + p2.getLast());
}
static void setSame(Pair<? super Integer> p, Integer n) {
p.setFirst(n);
p.setLast(n);
}
}
class Pair<T> {
private T first;
private T last;
public Pair(T first, T last) {
this.first = first;
this.last = last;
}
public T getFirst() {
return first;
}
public T getLast() {
return last;
}
public void setFirst(T first) {
this.first = first;
}
public void setLast(T last) {
this.last = last;
}
}
使用<? super Integer>通配符表示：
- 允许调用
set(? super Integer)方法传入Integer的引用； - 不允许调用
get()方法获得Integer的引用。
唯一例外是可以获取Object的引用：Object o = p.getFirst()。
换句话说，使用<? super Integer>通配符作为方法参数，表示方法内部代码对于参数只能写，不能读。
对比 extends和super通配符
我们再回顾一下extends通配符。作为方法参数，<? extends T>类型和<? super T>类型的区别在于：
<? extends T>允许调用读方法T get()获取T的引用，但不允许调用写方法set(T)传入T的引用（传入null除外）；<? super T>允许调用写方法set(T)传入T的引用，但不允许调用读方法T get()获取T的引用（获取Object除外）。
一个是允许读不允许写，另一个是允许写不允许读。
我们来看Java标准库的Collections类定义的copy()方法：
public class Collections {
// 把src的每个元素复制到dest中:
public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
for (int i=0; i<src.size(); i++) {
T t = src.get(i);
dest.add(t);
}
}
}
它的作用是把一个List的每个元素依次添加到另一个List中。它的第一个参数是List<? super T>，表示目标List，第二个参数List<? extends T>，表示要复制的List。我们可以简单地用for循环实现复制。在for循环中，我们可以看到，对于类型<? extends T>的变量src，我们可以安全地获取类型T的引用，而对于类型<? super T>的变量dest，我们可以安全地传入T的引用。
这个copy()方法的定义就完美地展示了extends和super的意图：
copy()方法内部不会读取dest，因为不能调用dest.get()来获取T的引用；copy()方法内部也不会修改src，因为不能调用src.add(T)。
何时使用extends，何时使用super？为了便于记忆，我们可以用PECS原则：Producer Extends Consumer Super。
即：如果需要返回T，它是生产者（Producer），要使用extends通配符；如果需要写入T，它是消费者（Consumer），要使用super通配符。
无限定通配符
我们已经讨论了<? extends T>和<? super T>作为方法参数的作用。实际上，Java的泛型还允许使用无限定通配符（Unbounded Wildcard Type），即只定义一个?：
void sample(Pair<?> p) {}
因为<?>通配符既没有extends，也没有super，因此：
- 不允许调用
set(T)方法并传入引用（null除外）； - 不允许调用
T get()方法并获取T引用（只能获取Object引用）。
换句话说，既不能读，也不能写，那只能做一些null判断：
static boolean isNull(Pair<?> p) {
return p.getFirst() == null || p.getLast() == null;
}
大多数情况下，可以引入泛型参数<T>消除<?>通配符：
static <T> boolean isNull(Pair<T> p) {
return p.getFirst() == null || p.getLast() == null;
}
<?>通配符有一个独特的特点，就是：Pair<?>是所有Pair<T>的超类：
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Pair<Integer> p = new Pair<>(123, 456);
Pair<?> p2 = p; // 安全地向上转型
System.out.println(p2.getFirst() + ", " + p2.getLast());
}
}
class Pair<T> {
private T first;
private T last;
public Pair(T first, T last) {
this.first = first;
this.last = last;
}
public T getFirst() {
return first;
}
public T getLast() {
return last;
}
public void setFirst(T first) {
this.first = first;
}
public void setLast(T last) {
this.last = last;
}
}
无限定通配符<?>很少使用，可以用<T>替换，同时它是所有<T>类型的超类。
泛型与反射
- Java的部分反射API也是泛型。例如：
Class<T>就是泛型：
也就是说，之前一直在用的 Class 是一个泛型。
之所以下面第一种会有 warning 是因为没有经历了向上再向下的一个过程，而第二个是平级。
// compile warning:
Class clazz = String.class;
String str = (String) clazz.newInstance();
// no warning:
Class<String> clazz = String.class;
String str = clazz.newInstance();
- 调用
Class的getSuperclass()方法返回的Class类型是Class<? super T>：
Class<? super String> sup = String.class.getSuperclass();
- 构造方法
Constructor<T>也是泛型：
Class<Integer> clazz = Integer.class;
Constructor<Integer> cons = clazz.getConstructor(int.class);//得到传入参数为 int 的构造函数
Integer i = cons.newInstance(123); //利用构造函数调用 newInstance() 来创建一个实例
-
我们可以声明带泛型的数组，但不能用
new操作符创建带泛型的数组：-
Pair<String>[] ps = null; // ok Pair<String>[] ps = new Pair<String>[2]; // compile error! -
必须通过强制转型实现带泛型的数组：
-
@SuppressWarnings("unchecked") Pair<String>[] ps = (Pair<String>[]) new Pair[2];
-
接下来我们把上面的一句话，拆成两句话，就会出问题。也就是多出来一个中间的引用变量 arr
Pair[] arr = new Pair[2];
Pair<String>[] ps = (Pair<String>[]) arr;
ps[0] = new Pair<String>("a", "b"); // 正确
arr[1] = new Pair<Integer>(1, 2); // 偷梁换柱，不正确了！
// ClassCastException:
Pair<String> p = ps[1];
String s = p.getFirst();
使用泛型数组要特别小心，因为数组实际上在运行期没有泛型，编译器可以强制检查变量ps，因为它的类型是泛型数组。但是，编译器不会检查变量arr，因为它不是泛型数组。因为这两个变量实际上指向同一个数组，所以，操作arr可能导致从ps获取元素时报错.
带泛型的数组实际上是编译器的类型擦除：你看下面的 ps.getClass() 等于 Pair[].class 压根就没有 String 的影子，这就是类型擦除。
Pair[] arr = new Pair[2];
Pair<String>[] ps = (Pair<String>[]) arr;
System.out.println(ps.getClass() == Pair[].class); // true
String s1 = (String) arr[0].getFirst();
String s2 = ps[0].getFirst();
以下，仍然是 类型擦除 的思想。
- 创建泛型数组
所以我们不能直接创建泛型数组T[]，因为擦拭后代码变为Object[]：JAVA不知道你传进来的 T 是什么，统一擦除为 Object 那肯定不行啊。
// compile error:
public class Abc<T> {
T[] createArray() {
return new T[5];
}
}
我们让 JAVA 知道我们传进来的是什么类型不就好了，用 Class<T> 这里面包含了 T 的内容。
必须借助Class<T>来创建泛型数组：
T[] createArray(Class<T> cls) {
return (T[]) Array.newInstance(cls, 5);
}
- 可变参数创建泛型数组 ， 它不香吗？
- 特别注意要用 @SafeVarargs 修饰
public class ArrayHelper {
@SafeVarargs
static <T> T[] asArray(T... objs) {
return objs;
}
}
String[] ss = ArrayHelper.asArray("a", "b", "c");
Integer[] ns = ArrayHelper.asArray(1, 2, 3);
补充《《Effective Java》》
在上面的例子中，我们看到，通过：
static <T> T[] asArray(T... objs) {
return objs;
}
似乎可以安全地创建一个泛型数组。但实际上，这种方法非常危险。以下代码来自《Effective Java》的示例：
import java.util.Arrays;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
String[] arr = asArray("one", "two", "three");
System.out.println(Arrays.toString(arr));
// ClassCastException:
String[] firstTwo = pickTwo("one", "two", "three");
System.out.println(Arrays.toString(firstTwo));
}
static <K> K[] pickTwo(K k1, K k2, K k3) {
return asArray(k1, k2);
}
static <T> T[] asArray(T... objs) {
return objs;
}
}
直接调用asArray(T...)似乎没有问题，但是在另一个方法中，我们返回一个泛型数组就会产生ClassCastException，原因还是因为擦拭法，在pickTwo()方法内部，编译器无法检测K[]的正确类型，因此返回了Object[]。
如果仔细观察，可以发现编译器对所有可变泛型参数都会发出警告，除非确认完全没有问题，才可以用@SafeVarargs消除警告。