Java编程的逻辑 (35) - 泛型 (上) - 基本概念和原理

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之前章节中我们多次提到过泛型这个概念，从本节开始，我们就来详细讨论Java中的泛型，虽然泛型的基本思维和概念是比较简单的，但它有一些非常令人费解的语法、细节、以及局限性，内容比较多。

所以我们分为三节，逐步来讨论，本节我们主要来介绍泛型的基本概念和原理，下节我们重点讨论令人费解的通配符，最后一节，我们讨论一些细节和泛型的局限性。

后续章节我们会介绍各种容器类，容器类可以说是日常程序开发中天天用到的，没有容器类，难以想象能开发什么真正有用的程序。而容器类是基于泛型的，不理解泛型，我们就难以深刻理解容器类。那，泛型到底是什么呢？

什么是泛型？

之前我们一直强调数据类型的概念，Java有8种基本类型，可以定义类，类相当于自定义数据类型，类之间还可以有组合和继承。不过，在第19节，我们介绍了接口，其中提到，其实，很多时候，我们关心的不是类型，而是能力，针对接口和能力编程，不仅可以复用代码，还可以降低耦合，提高灵活性。

泛型将接口的概念进一步延伸，"泛型"字面意思就是广泛的类型，类、接口和方法代码可以应用于非常广泛的类型，代码与它们能够操作的数据类型不再绑定在一起，同一套代码，可以用于多种数据类型，这样，不仅可以复用代码，降低耦合，同时，还可以提高代码的可读性和安全性。

这么说可能比较抽象，接下来，我们通过一些例子逐步来说明。在Java中，类、接口、方法都可以是泛型的，我们先来看泛型类。

一个简单泛型类

我们通过一个简单的例子来说明泛型类的基本概念、实现原理和好处。

基本概念

我们直接来看代码：

public class Pair<T> {

    T first;
    T second;
    
    public Pair(T first, T second){
        this.first = first;
        this.second = second;
    }
    
    public T getFirst() {
        return first;
    }
    
    public T getSecond() {
        return second;
    }
}

Pair就是一个泛型类，与普通类的区别，体现在：

1. 类名后面多了一个<T>
2. first和second的类型都是T 

T是什么呢？T表示类型参数，泛型就是类型参数化，处理的数据类型不是固定的，而是可以作为参数传入。

怎么用这个泛型类，并传递类型参数呢？看代码：

Pair<Integer> minmax = new Pair<Integer>(1,100);
Integer min = minmax.getFirst();
Integer max = minmax.getSecond();

Pair<Integer>，这里Integer就是传递的实际类型参数。

Pair类的代码和它处理的数据类型不是绑定的，具体类型可以变化。上面是Integer，也可以是String，比如：

Pair<String> kv = new Pair<String>("name","老马");

类型参数可以有多个，Pair类中的first和second可以是不同的类型，多个类型之间以逗号分隔，来看改进后的Pair类定义：

public class Pair<U, V> {

    U first;
    V second;
    
    public Pair(U first, V second){
        this.first = first;
        this.second = second;
    }
    
    public U getFirst() {
        return first;
    }

    public V getSecond() {
        return second;
    }
}

可以这样使用：

Pair<String,Integer> pair = new Pair<String,Integer>("老马",100);

<String,Integer>既出现在了声明变量时，也出现在了new后面，比较啰嗦，Java支持省略后面的类型参数，可以这样：

Pair<String,Integer> pair = new Pair<>("老马",100);

基本原理

泛型类型参数到底是什么呢？为什么一定要定义类型参数呢？定义普通类，直接使用Object不就行了吗？比如，Pair类可以写为：

public class Pair {

    Object first;
    Object second;
    
    public Pair(Object first, Object second){
        this.first = first;
        this.second = second;
    }
    
    public Object getFirst() {
        return first;
    }
    
    public Object getSecond() {
        return second;
    }
}    

使用Pair的代码可以为：

Pair minmax = new Pair(1,100);
Integer min = (Integer)minmax.getFirst();
Integer max = (Integer)minmax.getSecond();

Pair kv = new Pair("name","老马");
String key = (String)kv.getFirst();
String value = (String)kv.getSecond();

这样是可以的。实际上，Java泛型的内部原理就是这样的。

我们知道，Java有Java编译器和Java虚拟机，编译器将Java源代码转换为.class文件，虚拟机加载并运行.class文件。对于泛型类，Java编译器会将泛型代码转换为普通的非泛型代码，就像上面的普通Pair类代码及其使用代码一样，将类型参数T擦除，替换为Object，插入必要的强制类型转换。Java虚拟机实际执行的时候，它是不知道泛型这回事的，它只知道普通的类及代码。

再强调一下，Java泛型是通过擦除实现的，类定义中的类型参数如T会被替换为Object，在程序运行过程中，不知道泛型的实际类型参数，比如Pair<Integer>，运行中只知道Pair，而不知道Integer，认识到这一点是非常重要的，它有助于我们理解Java泛型的很多限制。

Java为什么要这么设计呢？泛型是Java 1.5以后才支持的，这么设计是为了兼容性而不得已的一个选择。

泛型的好处

既然只使用普通类和Object就是可以的，而且泛型最后也转换为了普通类，那为什么还要用泛型呢？或者说，泛型到底有什么好处呢？

主要有两个好处：

• 更好的安全性
• 更好的可读性

语言和程序设计的一个重要目标是将bug尽量消灭在摇篮里，能消灭在写代码的时候，就不要等到代码写完，程序运行的时候。

只使用Object，代码写错的时候，开发环境和编译器不能帮我们发现问题，看代码：

Pair pair = new Pair("老马",1);
Integer id = (Integer)pair.getFirst();
String name = (String)pair.getSecond();

看出问题了吗？写代码时，不小心，类型弄错了，不过，代码编译时是没有任何问题的，但，运行时，程序抛出了类型转换异常ClassCastException。

如果使用泛型，则不可能犯这个错误，如果这么写代码：

Pair<String,Integer> pair = new Pair<>("老马",1);
Integer id = pair.getFirst();
String name = pair.getSecond();

开发环境如Eclipse会提示你类型错误，即使没有好的开发环境，编译时，Java编译器也会提示你。这称之为类型安全，也就是说，通过使用泛型，开发环境和编译器能确保你不会用错类型，为你的程序多设置一道安全防护网。

使用泛型，还可以省去繁琐的强制类型转换，再加上明确的类型信息，代码可读性也会更好。

容器类

泛型类最常见的用途是作为容器类，所谓容器类，简单的说，就是容纳并管理多项数据的类。数组就是用来管理多项数据的，但数组有很多限制，比如说，长度固定，插入、删除操作效率比较低。计算机技术有一门课程叫数据结构，专门讨论管理数据的各种方式。

这些数据结构在Java中的实现主要就是Java中的各种容器类，甚至，Java泛型的引入主要也是为了更好的支持Java容器。后续章节我们会详细讨论主要的Java容器，本节我们先自己实现一个非常简单的Java容器，来解释泛型的一些概念。

我们来实现一个简单的动态数组容器，所谓动态数组，就是长度可变的数组，底层数组的长度当然是不可变的，但我们提供一个类，对这个类的使用者而言，好像就是一个长度可变的数组，Java容器中有一个对应的类ArrayList，本节我们来实现一个简化版。

来看代码：

public class DynamicArray<E> {
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    private int size;
    private Object[] elementData;

    public DynamicArray() {
        this.elementData = new Object[DEFAULT_CAPACITY];
    }

    private void ensureCapacity(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length;
        if(oldCapacity>=minCapacity){
            return;
        }
        int newCapacity = oldCapacity * 2;
        if (newCapacity < minCapacity)
            newCapacity = minCapacity;
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

    public void add(E e) {
        ensureCapacity(size + 1);
        elementData[size++] = e;
    }

    public E get(int index) {
        return (E)elementData[index];
    }
    
    public int size() {
        return size;
    }

    public E set(int index, E element) {
        E oldValue = get(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }

}    

DynamicArray就是一个动态数组，内部代码与我们之前分析过的StringBuilder类似，通过ensureCapacity方法来根据需要扩展数组。作为一个容器类，它容纳的数据类型是作为参数传递过来的，比如说，存放Double类型：

DynamicArray<Double> arr = new DynamicArray<Double>();
Random rnd = new Random();
int size = 1+rnd.nextInt(100);
for(int i=0; i<size; i++){
    arr.add(Math.random());
}

Double d = arr.get(rnd.nextInt(size));

这就是一个简单的容器类，适用于各种数据类型，且类型安全。本节后面和后面两节还会以DynamicArray为例进行扩展，以解释泛型概念。

具体的类型还可以是一个泛型类，比如，可以这样写：

DynamicArray<Pair<Integer,String>> arr = new DynamicArray<>()

arr表示一个动态数组，每个元素是Pair<Integer,String>类型。

泛型方法

除了泛型类，方法也可以是泛型的，而且，一个方法是不是泛型的，与它所在的类是不是泛型没有什么关系。

我们看个例子：

public static <T> int indexOf(T[] arr, T elm){
    for(int i=0; i<arr.length; i++){
        if(arr[i].equals(elm)){
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

这个方法就是一个泛型方法，类型参数为T，放在返回值前面，它可以这么调用：

indexOf(new Integer[]{1,3,5}, 10)

也可以这么调用：

indexOf(new String[]{"hello","老马","编程"}, "老马")

indexOf表示一个算法，在给定数组中寻找某一个元素，这个算法的基本过程与具体数据类型没有什么关系，通过泛型，它就可以方便的应用于各种数据类型，且编译器保证类型安全。

与泛型类一样，类型参数可以有多个，多个以逗号分隔，比如：

public static <U,V> Pair<U,V> makePair(U first, V second){
    Pair<U,V> pair = new Pair<>(first, second);
    return pair;
}

与泛型类不同，调用方法时一般并不需要特意指定类型参数的实际类型是什么，比如调用makePair：

makePair(1,"老马");

并不需要告诉编译器U的类型是Integer，V的类型是String，Java编译器可以自动推断出来。

泛型接口

接口也可以是泛型的，我们之前介绍过的Comparable和Comparator接口都是泛型的，它们的代码如下：

public interface Comparable<T> {
    public int compareTo(T o);
}
public interface Comparator<T> {
    int compare(T o1, T o2);
    boolean equals(Object obj);
}

与前面一样，T是类型参数。实现接口时，应该指定具体的类型，比如，对Integer类，实现代码是：

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer>{
    public int compareTo(Integer anotherInteger) {
        return compare(this.value, anotherInteger.value);
    }
    //...
}

通过implements Comparable<Integer>，Integer实现了Comparable接口，指定了实际类型参数为Integer，表示Integer只能与Integer对象进行比较。

再看Comparator的一个例子，String类内部一个Comparator的接口实现为：

private static class CaseInsensitiveComparator
        implements Comparator<String> {
    public int compare(String s1, String s2) {
        //....
    }
}

这里，指定了实际类型参数为String。

类型参数的限定

在之前的介绍中，无论是泛型类、泛型方法还是泛型接口，关于类型参数，我们都知之甚少，只能把它当做Object，但Java支持限定这个参数的一个上界，也就是说，参数必须为给定的上界类型或其子类型，这个限定是通过extends这个关键字来表示的。

这个上界可以是某个具体的类，或者某个具体的接口，也可以是其他的类型参数，我们逐个来看下其应用。

上界为某个具体类

比如说，上面的Pair类，可以定义一个子类NumberPair，限定两个类型参数必须为Number，代码如下：

public class NumberPair<U extends Number, V extends Number> extends Pair<U, V> {

    public NumberPair(U first, V second) {
        super(first, second);
    }
}    

限定类型后，就可以使用该类型的方法了，比如说，对于NumberPair类，first和second变量就可以当做Number进行处理了，比如可以定义一个求和方法，如下所示：

public double sum(){
    return getFirst().doubleValue()
            +getSecond().doubleValue();
}

可以这么用：

NumberPair<Integer, Double> pair = new NumberPair<>(10, 12.34);
double sum = pair.sum();

限定类型后，如果类型使用错误，编译器会提示。

指定边界后，类型擦除时就不会转换为Object了，而是会转换为它的边界类型，这也是容易理解的。

上界为某个接口

在泛型方法中，一种常见的场景是限定类型必须实现Comparable接口，我们来看代码：

public static <T extends Comparable> T max(T[] arr){
    T max = arr[0];
    for(int i=1; i<arr.length; i++){
        if(arr[i].compareTo(max)>0){
            max = arr[i];
        }
    }
    return max;
}

max方法计算一个泛型数组中的最大值，计算最大值需要进行元素之间的比较，要求元素实现Comparable接口，所以给类型参数设置了一个上边界Comparable，T必须实现Comparable接口。

不过，直接这么写代码，Java中会给一个警告信息，因为Comparable是一个泛型接口，它也需要一个类型参数，所以完整的方法声明应该是：

public static <T extends Comparable<T>> T max(T[] arr){

//...

}

<T extends Comparable<T>>是一种令人费解的语法形式，这种形式称之为递归类型限制，可以这么解读，T表示一种数据类型，必须实现Comparable接口，且必须可以与相同类型的元素进行比较。

上界为其他类型参数

上面的限定都是指定了一个明确的类或接口，Java支持一个类型参数以另一个类型参数作为上界。为什么需要这个呢？

我们看个例子，给上面的DynamicArray类增加一个实例方法addAll，这个方法将参数容器中的所有元素都添加到当前容器里来，直觉上，代码可以这么写：

public void addAll(DynamicArray<E> c) {
    for(int i=0; i<c.size; i++){
        add(c.get(i));
    }
}

但这么写有一些局限性，我们看使用它的代码：

DynamicArray<Number> numbers = new DynamicArray<>();
DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
ints.add(100);
ints.add(34);
numbers.addAll(ints);

numbers是一个Number类型的容器，ints是一个Integer类型的容器，我们希望将ints添加到numbers中，因为Integer是Number的子类，应该说，这是一个合理的需求和操作。

但，Java会在number.addAll(ints)这行代码上提示编译错误，提示，addAll需要的参数类型为DynamicArray<Number>，而传递过来的参数类型为DynamicArray<Integer>，不适用，Integer是Number的子类，怎么会不适用呢？

事实就是这样，确实不适用，而且是很有道理的，假设适用，我们看下会发生什么。

DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
//假设下面这行是合法的
DynamicArray<Number> numbers = ints;

numbers.add(new Double(12.34));

那最后一行就是合法的，这时，DynamicArray<Integer>中就会出现Double类型的值，而这，显然就破坏了Java泛型关于类型安全的保证。

我们强调一下，虽然Integer是Number的子类，但DynamicArray<Integer>并不是DynamicArray<Number>的子类，DynamicArray<Integer>的对象也不能赋值给DynamicArray<Number>的变量，这一点初看上去是违反直觉的，但这是事实，必须要理解这一点。

不过，我们的需求是合理的啊，将Integer添加到Number容器中，这没有问题啊。这个问题，可以通过类型限定，这样来解决：

public <T extends E> void addAll(DynamicArray<T> c) {
    for(int i=0; i<c.size; i++){
        add(c.get(i));
    }
}

E是DynamicArray的类型参数，T是addAll的类型参数，T的上界限定为E，这样，下面的代码就没有问题了：

DynamicArray<Number> numbers = new DynamicArray<>();
DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
ints.add(100);
ints.add(34);
numbers.addAll(ints);

对于这个例子，这个写法有点啰嗦，下节我们会看到一种简化的方式。

小结

泛型是计算机程序中一种重要的思维方式，它将数据结构和算法与数据类型相分离，使得同一套数据结构和算法，能够应用于各种数据类型，而且还可以保证类型安全，提高可读性。在Java中，泛型广泛应用于各种容器类中，理解泛型是深刻理解容器的基础。

本节介绍了泛型的基本概念，包括泛型类、泛型方法和泛型接口，关于类型参数，我们介绍了多种上界限定，限定为某具体类、某具体接口、或其他类型参数。泛型类最常见的用途是容器类，我们实现了一个简单的容器类DynamicArray，以解释泛型概念。

在Java中，泛型是通过类型擦除来实现的，它是Java编译器的概念，Java虚拟机运行时对泛型基本一无所知，理解这一点是很重要的，它有助于我们理解Java泛型的很多局限性。

关于泛型，Java中有一个通配符的概念，语法非常令人费解，而且容易混淆，下一节，我们力图对它进行清晰的剖析。

Java编程的逻辑 (35) - 泛型 (上) - 基本概念和原理

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