8.0 第8章 泛型 8.1 基本概念和原理

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第8章 泛型

之前章节中我们多次提到过泛型这个概念，本章我们就来详细讨论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。

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，就难以深刻理解容器类。那泛型到底是什么呢？本章我们分为三节逐步来讨论：8.1节主要介绍泛型的基本概念和原理；8.2节重点介绍令人费解的通配符；8.3节介绍一些细节和泛型的局限性。

8.1 基本概念和原理

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。我们也介绍了接口，其中提到，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”的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，而且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进行说明。在Java中，类、接口、方法都可以是泛型的，我们先来看泛型类。

8.1.1 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、基本原理和泛型的好处。

1．基本概念

我们直接来看代码：

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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：

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

Pair<Integer>中的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：

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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：

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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<String> kv = new Pair<String>("name", "老马");
Pair<Integer> minmax = new Pair<Integer>(1,100);
Integer min = minmax.getFirst();
Integer max = minmax.getSecond();
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：

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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，比较烦琐，从Java 7开始，支持省略后面的类型参数，可以如下使用：

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

2．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：

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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：

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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，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 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。

3．泛型的好处

既然只使用普通类和Object就可以，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？泛型主要有两个好处：

  • 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：

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

看出问题了吗？写代码时不小心把类型弄错了，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，比如下面的代码：

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

开发环境（如Eclipse）会提示类型错误，即使没有好的开发环境，编译时Java编译器也会提示。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不会用错类型，为程序多设置一道安全防护网。使用泛型，还可以省去烦琐的强制类型转换，再加上明确的类型信息，代码可读性也会更好。

8.1.2 容器类

泛型类最常见的用途是作为容器类。所谓容器类，简单地说，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，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地支持Java容器。后续章节我们会详细讨论主要的Java容器，本节先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，如代码清单8-1所示。

代码清单8-1 动态数组DynamicArray
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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，存放Double类型：

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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。后文还会以Dynamic-Array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：

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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。

8.1.3 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：

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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，它可以如下调用：

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

也可以如下调用：

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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，它可以方便地应用于各种数据类型，且由编译器保证类型安全。

与泛型类一样，类型参数可以有多个，以逗号分隔，比如：

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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，比如调用make-Pair：

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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。

8.1.4 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：

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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：

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

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：

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private static class CaseInsensitiveComparator
        implements Comparator<String> {
    public int compare(String s1, String s2) {
        //省略主体代码
    }
}

这里，指定了实际类型参数为String。

8.1.5 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，只能把它当作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，我们逐个介绍其应用。

1．上界为某个具体类

比如，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：

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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，对于NumberPair类，first和second变量就可以当作Number进行处理了。比如可以定义一个求和方法，如下所示：

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

可以这么用：

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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。

2．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：

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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，直接这么编写代码，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：

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public static <T extends Comparable<T>> T max(T[] arr){
    //主体代码
}

<T extends Comparable<T>>是一种令人费解的语法形式，这种形式称为递归类型限制，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。

3．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，代码可以如下书写：

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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：

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DynamicArray<Number> numbers = new DynamicArray<>();
DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
ints.add(100);
ints.add(34);
numbers.addAll(ints); //会提示编译错误

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numbers.addAll(ints)这行代码上提示编译错误：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。

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DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
DynamicArray<Number> numbers = ints; //假设这行是合法的
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Dynamic-Array<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，将Integer添加到Number容器中并没有问题。这个问题可以通过类型限定来解决：

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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：

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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，这种写法有点烦琐，8.2节中我们会介绍一种简化的方式。

8.1.6 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，用得很广泛，但语法非常令人费解，而且容易混淆，8.2节中，我们力图对它进行清晰的剖析。