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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。

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:

图片

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:

  1. 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;
  2. 编译器执行类型擦除,字节码内只保留其原始类型;
  3. 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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。

图片

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。

文章目录
  1. 1. 前言
  2. 2. 泛型是什么
  3. 3. 使用
    1. 3.1. 声明
    2. 3.2. 调用
  4. 4. 类型擦除
    1. 4.1. 由来
    2. 4.2. 实现
  5. 5. 实践问题
    1. 5.1. 具体类型须为Object子类型
    2. 5.2. 边界限定通配符的使用
    3. 5.3. 最佳实践
  6. 6. 小结