Java 泛型

泛型接口

我们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);
}

比如说排序Person类型：

public void testPerson() {
    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));
}

那么就需要在Person类型中实现Comparable<Person>接口：

public 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) {
//        return this.name.compareTo(other.name); // 按name排序
        return this.score - other.score; // 按score排序
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", score=" + score +
                '}';
    }
}

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类型擦除

Java的泛型是伪泛型，这是因为Java在编译期间，所有的泛型信息都会被擦掉。Java的泛型基本上都是在编译器这个层次上实现的，在生成的字节码中是不包含泛型中的类型信息的，使用泛型的时候加上类型参数，在编译器编译的时候会去掉，这个过程成为类型擦除。

通过两个例子证明Java类型的类型擦除

例一：原始类型相等

public class Test {

    public static void main(String[] args) {

        ArrayList<String> list1 = new ArrayList<String>();
        list1.add("abc");

        ArrayList<Integer> list2 = new ArrayList<Integer>();
        list2.add(123);

        System.out.println(list1.getClass() == list2.getClass()); // true
    }

}

在这个例子中，我们定义了两个ArrayList数组，不过一个是ArrayList<String>泛型类型的，只能存储字符串；一个是ArrayList<Integer>泛型类型的，只能存储整数，最后，我们通过list1对象和list2对象的getClass()方法获取他们的类的信息，最后发现结果为true。说明泛型类型String和Integer都被擦除掉了，只剩下原始类型。

例二：通过反射添加其他类型元素

public class Test {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();

        list.add(1);  //这样调用 add 方法只能存储整形，因为泛型类型的实例为 Integer

        list.getClass().getMethod("add", Object.class).invoke(list, "asd");

        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }
    }

}

输出结果：

1
asd

在程序中定义了一个ArrayList泛型类型实例化为Integer对象，如果直接调用add()方法，那么只能存储整数数据，不过当我们利用反射调用add()方法的时候，却可以存储字符串，这说明了Integer泛型实例在编译之后被擦除掉了，只保留了原始类型。

类型擦除后保留的原始类型

原始类型 就是擦除去了泛型信息，最后在字节码中的类型变量的真正类型，无论何时定义一个泛型，相应的原始类型都会被自动提供，类型变量擦除，并使用其限定类型（无限定的变量用Object）替换。

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;
    }
    
}

Pair的原始类型为:

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;
    }
}

因为在Pair<T>中，T 是一个无限定的类型变量，所以用Object替换，其结果就是一个普通的类，如同泛型加入Java语言之前的已经实现的样子。在程序中可以包含不同类型的Pair，如Pair<String>或Pair<Integer>，但是擦除类型后他们的就成为原始的Pair类型了，原始类型都是Object。

从上面的例2中，我们也可以明白ArrayList<Integer>被擦除类型后，原始类型也变为Object，所以通过反射我们就可以存储字符串了。

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。

Java泛型的局限

了解了Java泛型的实现方式，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，就是前面的例一

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
}

局限三：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。

要实例化T类型，我们必须借助额外的Class<T>参数：

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。

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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。

public void testPair() {
    Class<IntPair> clazz = IntPair.class;
    
    // getGenericSuperclass()获得带有泛型的父类
    // Type是 Java 编程语言中所有类型的公共高级接口。它们包括原始类型、参数化类型、数组类型、类型变量和基本类型。
    Type t = clazz.getGenericSuperclass();
    
    // ParameterizedType 参数化类型，即泛型
    if (t instanceof ParameterizedType) {
        ParameterizedType pt = (ParameterizedType) t;
        
        // getActualTypeArguments获取参数化类型的数组，泛型可能有多个
        Type[] types = pt.getActualTypeArguments();
        
        Type firstType = types[0]; // 取第一个泛型类型
        Class<?> typeClass = (Class<?>) firstType;
        System.out.println(typeClass); // class java.lang.Integer
    }
}


class IntPair extends Pair<Integer> {

    public IntPair(Integer first, Integer last) {
        super(first, last);
    }
}

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extends通配符

更详细的解释：廖雪峰的官方博客

前面定义了Pair<T>，现在针对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();
    }
}

上述代码是可以正常编译的。使用的时候，我们传入：

int sum = PairHelper.add(new Pair<Number>(1, 2));

注意：传入的类型是Pair<Number>，实际参数类型是(Integer, Integer)。

既然实际参数是Integer类型，试试传入Pair<Integer>：

public class PairHelper {
    static int add(Pair<Number> p) {
        Number first = p.getFirst();
        Number last = p.getLast();
        return first.intValue() + last.intValue();
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Pair<Integer> p = new Pair<>(123, 456);
        int n = add(p);
        System.out.println(n);
    }
}

直接运行，会得到一个编译错误：

incompatible types: Pair cannot be converted to Pair

原因很明显，因为Pair<Integer>不是Pair<Number>的子类，因此，add(Pair<Number>)不接受参数类型Pair<Integer>。

但是从add()方法的代码可知，传入Pair<Integer>是完全符合内部代码的类型规范，因为语句：

Number first = p.getFirst();
Number last = p.getLast();

实际类型是Integer，引用类型是Number，没有问题。问题在于方法参数类型定死了只能传入Pair<Number>。

有没有办法使得方法参数接受Pair<Integer>？办法是有的，这就是使用Pair<? extends Number>使得方法接收所有泛型类型为Number或Number子类的Pair类型。

改写静态代码块：

static int add(Pair<? extends Number> p) {
    Number first = p.getFirst();
    Number last = p.getLast();
    return first.intValue() + last.intValue();
}

这样一来，给方法传入Pair<Integer>类型时，它符合参数Pair<? extends Number>类型。这种使用<? extends Number>的泛型定义称之为上界通配符，即把泛型类型T的上界限定在Number了。

除了可以传入Pair<Integer>类型，我们还可以传入Pair<Double>类型，Pair<BigDecimal>类型等等，因为Double和BigDecimal都是Number的子类。

如果我们考察对Pair<? extends Number>类型调用getFirst()方法，实际的方法签名变成了：

<? extends Number> getFirst();

即返回值是Number或Number的子类，因此，可以安全赋值给Number类型的变量：

Number x = p.getFirst();

然后，我们不可预测实际类型就是Integer，例如，下面的代码是无法通过编译的：

Integer x = p.getFirst();

这是因为实际的返回类型可能是Integer，也可能是Double或者其他类型，编译器只能确定类型一定是Number的子类（包括Number类型本身），但具体类型无法确定。

对Pair<T>加入set方法：

public void setFirst(T first) {
    this.first = first;
}
public void setLast(T last) {
    this.last = last;
}

执行set方法：

public static void main(String[] args) {
    Pair<Integer> p = new Pair<>(123, 456);
    int n = add(p);
    System.out.println(n);
}

static int add(Pair<? extends Number> p) {
    Number first = p.getFirst();
    Number last = p.getLast();
    p.setFirst(new Integer(first.intValue() + 100));
    p.setLast(new Integer(last.intValue() + 100));
    return p.getFirst().intValue() + p.getFirst().intValue();
}

发生编译错误。编译错误发生在p.setFirst()传入的参数是Integer类型。

如果这时候main方法里面调用Pair<Double>，是满足Pair<? extends Number>的，但是，Pair<Double>的setFirst()显然无法接受Integer类型。

这就是<? extends Number>通配符的一个重要限制：方法参数签名setFirst(? extends Number)无法传递任何Number的子类型给setFirst(? extends Number)。

这里唯一的例外是可以给方法参数传入null。

总的来说，使用类似<? extends Number>通配符作为方法参数时表示：

• 方法内部可以调用获取Number引用的方法，例如：Number n = obj.getFirst();；
• 方法内部无法调用传入Number引用的方法（null除外），例如：obj.setFirst(Number n);。

即一句话总结：使用extends通配符表示可以读，不能写。

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super通配符

使用super通配符来写set方法：

void set(Pair<? super Integer> p, Integer first, Integer last) {
    p.setFirst(first);
    p.setLast(last);
}

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。

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);
}

考察Pair<? super Integer>的setFirst()方法，它的方法签名实际上是：

void setFirst(? super Integer);

因此，可以安全地传入Integer类型。

再考察Pair<? super Integer>的getFirst()方法，它的方法签名实际上是：

? super Integer getFirst();

这里注意到我们无法使用Integer类型来接收getFirst()的返回值，即下面的语句将无法通过编译：

Integer x = p.getFirst();

因为如果传入的实际类型是Pair<Number>，编译器无法将Number类型转型为Integer。

唯一可以接收getFirst()方法返回值的是Object类型：

Object obj = p.getFirst();

因此，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。

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参考：

• 廖雪峰的官方网站

• Java泛型类型擦除以及类型擦除带来的问题