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Java泛型：代码世界的“万能钥匙”与“类型契约”

神泱 6 天前
一、关于泛型

1.1 简介

Java泛型自J2SE 5.0引入，彻底改变了开发者处理数据类型的方式，将类型安全与代码复用推向新高度。
Java 泛型（Generics）是 Java 5 引入的一个特性，允许在类、接口和方法中使用类型参数，使得代码更加通用、灵活、可重用，并且能提供更强的类型安全性。
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‍在 Java 中，泛型允许在定义类、接口或方法时使用类型参数，具体的类型在使用时再指定。泛型使得同一类或方法能够处理不同类型的数据，而无需编写多个版本的代码。
例如，使用泛型的集合类 List​ 可以存储不同类型的元素，T​ 代表类型参数。
1.2 发展

Java 泛型（Generics）的发展历程可以追溯到 Java 语言的早期版本。下面是 Java 泛型的主要发展过程：
1. Java 语言初期（1.0 - 1.4）

在 Java 的早期版本中，Java 并没有提供泛型机制。开发者只能使用原始类型（如 Object​）来实现代码的通用性，这导致了以下两个主要问题：

  • 类型安全问题：  由于 Java 不支持泛型，开发者必须使用 Object​ 来表示任何类型，这导致了大量的类型转换错误，增加了出错的机会。
  • 代码冗余：  开发者不得不编写多个版本的代码来处理不同类型的数据，这使得代码冗长且不易维护。
例如，早期集合类如 Vector​ 和 ArrayList​ 只能存储 Object​ 类型的元素，需要在取出元素时进行强制类型转换：
  1. Vector vector = new Vector();
  2. vector.add("Hello");
  3. String str = (String) vector.get(0);  // 需要类型转换
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2. Java 5（2004年发布） - 引入泛型

Java 5（J2SE 5.0，也叫做 "Tiger"）是引入泛型的关键版本。泛型成为 Java 的一项重要特性，它改变了 Java 语言的编程方式，使得类型安全性和代码可重用性得到了极大的提升。主要特性如下：

  • 引入泛型语法：  使用 ​ 表示类型参数，例如 List​ 表示一个只能存储 String​ 类型的集合。
  • 类型擦除机制：  泛型在编译时会被擦除（type erasure），即类型参数在编译后的字节码中不再保留具体类型信息。
  • 通配符（Wildcard）与边界：  支持通配符（如 ?​）和上界（extends​）与下界（super​）限定符，用于进一步限制泛型的类型范围。
  1. // 引入泛型的例子
  2. List<String> list = new ArrayList<>();
  3. list.add("Hello");
  4. String str = list.get(0);  // 无需强制类型转换
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3. Java 6 和 Java 7（2006年和2011年发布）

Java 6 和 Java 7 主要对泛型进行了一些优化和增强，但没有引入重大变化。

  • Java 6（Java 5 后的修复与优化）：  在 Java 6 中，泛型得到了进一步的优化，减少了类型擦除带来的性能损失。
  • Java 7（引入钻石操作符  ​​ ​ ）：  Java 7 引入了钻石操作符（​），它使得代码更加简洁，开发者不再需要显式地指定泛型类型，在编译时由编译器自动推断。
  1. // Java 7 引入的钻石操作符
  2. List<String> list = new ArrayList<>();  // 不再需要显式指定泛型类型
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4. Java 8（2014年发布）

Java 8 在泛型方面没有引入新特性，但它引入了与泛型紧密相关的其他功能，特别是 Lambda 表达式 和 Stream API。这两个特性使得开发者能够更简洁地处理集合和泛型数据，尤其是在函数式编程风格的代码中。

  • Stream API：通过泛型支持，Stream API 可以对集合进行更复杂的操作，而无需显式地指定具体类型。
  1. List<String> list = Arrays.asList("A", "B", "C");
  2. list.stream().filter(s -> s.startsWith("A")).forEach(System.out::println);
复制代码
5. Java 9 及以后（2017年发布，后续版本）

Java 9 引入了模块化（Project Jigsaw），但并未对泛型进行重大更新。此后，Java 10、Java 11 等版本也未对泛型进行大的改动。
然而，Java 10 引入了 局部变量类型推断（​​var​​ ） ，可以让编译器自动推断局部变量的类型，包括泛型类型。这使得在某些场景下，泛型的使用更加灵活和简洁。
  1. // Java 10 引入的局部变量类型推断
  2. var list = new ArrayList<String>();  // 编译器推断类型
复制代码
6. 泛型的局限性与挑战

尽管泛型在 Java 中带来了很多好处，但也存在一些局限性和挑战：

  • 类型擦除：  泛型信息在编译时会被擦除，导致 Java 在运行时无法获取泛型的具体类型。这限制了某些操作，如无法通过反射获得泛型类型。
    1. List<String> list = new ArrayList<>();
    2. if (list instanceof List<String>) {  // 编译时错误，因为泛型信息被擦除
    3.     // 代码无法运行
    4. }
    复制代码
  • 无法创建泛型数组：  由于类型擦除的机制，不能直接创建带有泛型类型的数组。例如，new T[]​ 是不允许的。
    1. // 编译错误
    2. T[] array = new T[10];  // 无法创建泛型数组
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1.3 功能特点

Java 泛型（Generics）是一种允许编写可以与多种数据类型一起工作的类、接口和方法的特性。它是在 Java 5 中引入的，旨在提高代码的类型安全性、可读性和重用性。以下是 Java 泛型的一些主要特点：

  • 类型安全：

    • 泛型提供编译时的类型检查，这意味着如果尝试将不兼容类型的对象插入到泛型集合中，编译器会报错，而不是在运行时抛出 ClassCastException​ 。
    • 这种特性使得开发者能够在开发阶段捕获错误，而不需要等到程序运行时才发现问题。

  • 消除强制类型转换：

    • 使用泛型可以减少或完全避免显式的类型转换。例如，在没有使用泛型的情况下，从集合中获取元素通常需要进行强制类型转换；而在使用了泛型之后，这些转换是自动完成的，并且是隐式的 。

  • 向后兼容：

    • 泛型被设计为向后兼容的，因此现有的非泛型代码可以在新的支持泛型的环境中继续工作。这种兼容性是通过类型擦除实现的，即在编译期移除所有泛型类型信息 。

  • 通配符：

    • 泛型支持通配符 ?​ 来表示未知类型。这允许编写更加灵活的方法签名，比如接受任意类型的参数列表而不必指定具体的类型 。

  • 有界类型参数：

    • 泛型允许定义有界的类型参数，这意味着你可以限制传入的类型必须是某个特定类型或其子类。例如，你可以定义一个泛型方法只接受实现了 Comparable​ 接口的类型作为参数 。

  • 类型擦除：

    • 在Java中，泛型信息在编译时被移除，这个过程被称为类型擦除。这意味着泛型类型参数在运行时并不存在，所有的泛型类型都会被替换为其上限类型（通常是 Object​），除非指定了下限 。

  • 泛型不能用于基本数据类型：

    • 泛型只能用于引用类型，如 Integer​, String​, 自定义类等，而不能直接用于基本数据类型如 int​, char​, boolean​ 等。不过，由于自动装箱/拆箱机制的存在，可以直接使用包装类来间接地处理基本数据类型 。

  • 泛型类和泛型方法：

    • 泛型不仅可以应用于类，也可以应用于单独的方法。这意味着你可以在不改变整个类的前提下，使单个方法具有泛型能力 。

  • 性能提升：

    • 使用泛型减少了不必要的装箱和拆箱操作，特别是在处理集合时，这可以带来一定的性能增益 。

  • 复用性和灵活性：

    • 泛型提高了代码的复用性，因为相同的逻辑可以适用于多种不同的数据类型，同时保持了类型的安全性 。

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二、泛型语法


  • 泛型类：指定类的类型参数。
  • 泛型方法：指定方法的类型参数。
  • 通配符（Wildcard） ：用于表示不确定的类型。
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2.1 泛型类

使用泛型定义类或接口时，需要在类名后面加上尖括号 ​< >​​，并在其中指定类型参数。
类型参数通常使用大写字母表示（如：T, E, K, V等）。常用T表示，是Type的缩写。
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示例
  1. // 定义一个泛型类
  2. public class Box<T> {
  3.     private T value;
  5.     public T getValue() {
  6.         return value;
  7.     }
  9.     public void setValue(T value) {
  10.         this.value = value;
  11.     }
  12. }
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使用泛型类时，指定实际类型：
  1. Box<Integer> intBox = new Box<>();
  2. intBox.setValue(100);
  3. System.out.println(intBox.getValue()); // 输出100
  5. Box<String> strBox = new Box<>();
  6. strBox.setValue("Hello");
  7. System.out.println(strBox.getValue()); // 输出Hello
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2.2 泛型接口

接口定义类型参数，实现类需指定具体类型。
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示例
  1. public interface List<T> {
  2.     void add(T element);
  3.     T get(int index);
  4. }
  6. // 实现类
  7. public class StringList implements List<String> {
  8.     private ArrayList<String> elements = new ArrayList<>();
  10.     @Override
  11.     public void add(String element) {
  12.         elements.add(element);
  13.     }
  15.     @Override
  16.     public String get(int index) {
  17.         return elements.get(index);
  18.     }
  19. }
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2.3 泛型方法

泛型方法是指在方法中使用类型参数。它允许在方法中灵活地指定类型。
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示例

泛型方法是指在方法中使用类型参数。它允许在方法中灵活地指定类型。
  1. public <T> void printArray(T[] array) {
  2.     for (T element : array) {
  3.         System.out.println(element);
  4.     }
  5. }
复制代码
调用时可以传入不同类型的数组：
  1. Integer[] intArray = {1, 2, 3};
  2. String[] strArray = {"A", "B", "C"};
  4. printArray(intArray); // 输出 1 2 3
  5. printArray(strArray); // 输出 A B C
复制代码
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  1. package org.example.Generics;
  3. public class MethodTest {
  5.     public static void main(String[] args) {
  6.         Integer[] intArray = {1, 2, 3};
  7.         String[] strArray = {"A", "B", "C"};
  9.         MethodTest test = new MethodTest();
  10.         test.printArray(intArray);
  11.         test.printArray(strArray);
  12.     }
  15.     public <T> void printArray(T[] array) {
  16.         for (T element : array) {
  17.             System.out.println(element);
  18.         }
  19.     }
  21. }
复制代码
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2.4 通配符（Wildcard）

泛型的通配符 ?​ 用于增强灵活性，常见于方法参数或返回值。

  • ? extends T​：表示类型是 T 或 T 的子类型。
  • ? super T​：表示类型是 T 或 T 的父类型。
  • ?​：表示未知类型。
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1. 无界通配符 ​

匹配任意类型，但只能读取数据，无法写入。
  1. public void printList(List<?> list) {
  2.     for (Object elem : list) {
  3.         System.out.println(elem);
  4.     }
  5. }
复制代码
‍
2. 上界通配符

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神泱
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