一文搞懂的Java泛型

2021-05-21 592

前言

相信大家对Java泛型并不陌生，无论是开源框架还是JDK源码都能看到它，毫不夸张的说，泛型是通用设计上必不可少的元素，所以真正理解与正确使用泛型，是一门必修课，本文将解开大家对泛型的疑惑，并通过大量实践，让你get到泛型正确的使用姿势，下面开始进入正题吧！

大纲

基础

因为本文重实践，而且面对的是Java开发人员群体，大家对泛型都有基础，所以泛型基础这块会快速过，帮助大家回忆下即可，后面主要的则重点是通配符

编译期与运行期

编译期是指把源码交给编译器编译成计算机可执行文件的过程，运行期是指把编译后的文件交给计算机执行，直到程序结束。

在Java中就是把.java文件编译成.class文件，再把编译后的文件交给J V M加载执行，如下图

泛型

泛型又叫“参数化类型”，这么抽象的专业词汇不好理解，阿星就用大白话的形式来解释。

人是铁，饭是刚，吃饭是刚需，要吃饭自然就少不了碗筷，但是没有规定碗只能盛饭，除了盛饭它还能盛汤、盛菜，制造者只造这个碗，不关心碗盛什么，具体要盛什么由使用者来决定，这就是泛型的概念。

泛型就是在定义类、接口、方法的时候指定某一种特定类型（碗），让类、接口、方法的使用者来决定具体用哪一种类型的参数（盛的东西）。

Java的泛型是在1.5引入的，只在编译期做泛型检查，运行期泛型就会消失，我们把这称为“泛型擦除”，最终类型都会变成 Object。

在没有泛型之前，从集合中读取到的每一个对象都必须进行类型转换，如果不小心插入了错误的类型对象，在运行时的转换处理就会出错，有了泛型后，你可以告诉编译器每个集合接收的对象类型是什么，编译器在编译期就会做类型检查，告知是否插入了错误类型的对象，使得程序更加安全，也更加清楚。

最后插一句，泛型擦除与原生态类型（List就是原生态，List<T>非原生态）是为了照顾1.5以前设计上的缺陷，为兼容非泛型代码，所作出的折中策略，所以不推荐使用原生态类型，如果使用了原生态类型，就失去了泛型在安全性与描述性方面的优势。

泛型类

类上定义泛型，作用于类的成员变量与函数，代码实例如下

public class GenericClass<T>{
    //成员变量
    private T t;

    public  void function(T t){

    }

    public T functionTwo(T t){
        //注意，这个不是泛型方法！！！
       return t;
    }
}

泛型接口

接口上定义泛型，作用于函数，代码实例如下

public interface GenericInterface<T> {

    public T get();

    public void set(T t);

    public T delete(T t);

    default T defaultFunction(T t){
        return t;
    }
}

泛型函数

函数返回类型旁加上泛型，作用于函数，代码实例如下

public class GenericFunction {

    public <T> void function(T t) {
    }

    public <T> T functionTwo(T t) {
        return t;
    }

    public <T> String functionThree(T t) {
        return "";
    }
}

通配符

通配符是为了让Java泛型支持范围限定，这样使得泛型的灵活性提升，同时也让通用性设计有了更多的空间。

<?>：***通配符，即类型不确定，任意类型
<? extends T>：上边界通配符，即?是继承自T的任意子类型，遵守只读不写
<? super T>：下边界通配符，即?是T的任意父类型，遵守只写不读

相信大部分人，都是倒在通配符这块，这里多唠叨点，「通配符限定的范围是体现在确认“参数化类型”的时候，而不是“参数化类型”填充后」，可能这句话不太好理解，来看看下面的代码

/**
 * 1.创建泛型为Number的List类，Integer、Double、Long等都是Number的子类
 *   new ArrayList<>() 等价于 new ArrayList<Number>()
 */
List<Number> numberList = new ArrayList<Number>();

/**
 * 2.添加不同子类
 */
numberList.add(1);//添加Integer类型
numberList.add(0.5);//添加Double类型
numberList.add(10000L);//添加Long类型

/**
 * 3.创建泛型为Number的List类，Integer、Double、Long等都是Number的子类
 *   引用是泛型类别是Number，但具体实现指定的泛型是Integer
 */
List<Number> numberListTwo = new ArrayList<Integer>();//err 异常编译不通过

/**
 * 4.创建泛型为Integer的List类，把该对象的引用地址指向泛型为Number的List
 */
List<Integer> integerList = new ArrayList<Integer>();
List<Number> numberListThree = integerList;//err 异常编译不通过

第一步：我们创建一个泛型为Number的List，编译器检查泛型类别是否一致，一致编译通过（确认参数化类型）
第二步：泛型Number已经填充完毕，调用add函数，此时add入参泛型T已经填充为Number，add可入参Number或其子类
第三步：我们又创建一个泛型为Number的List，编译器检查泛型类别是否一致，不一致编译失败，提示错误（确认参数化类型）
第四步：其实与第三步一样，只是做了一个间接的引用（确认参数化类型）

如果要解决上面的编译不通过问题，就需要使用通配符，代码如下

/**
 * 1.上边界通配符，Number与Number子类
 */
List<? extends Number> numberListFour = new ArrayList<Number>();
numberListFour = new ArrayList<Integer>();
numberListFour = new ArrayList<Double>();
numberListFour = new ArrayList<Long>();

/**
 * 2.下边界通配符,Integer与Integer父类
 */
List<? super Integer> integerList = new ArrayList<Integer>();
integerList = new ArrayList<Number>();
integerList = new ArrayList<Object>();

/**
 * 3. ***通配符,类型不确定，任意类型
 */
List<?> list = new ArrayList<Integer>();
list = new ArrayList<Number>();
list = new ArrayList<Object>();
list = new ArrayList<String>();

最后再来说上边界通配符只读不写，下边界通配符只写不读到底是什么意思，用最简单的话来说

<? extends T>上边界通配符不作为函数入参，只作为函数返回类型，比如List<? extends T>的使用add函数会编译不通过，get函数则没问题
<? super T>下边界通配符不作为函数返回类型，只作为函数入参，比如List<? super T>的add函数正常调用，get函数也没问题，但只会返回Object，所以意义不大

大家只需要记住上面的规则即可，如果想知道为什么这样设计，可以去了解下P E C S (producer-extends,consumer-super)原则

最佳实践

相信过完基础理论大家很多东西都回忆起来了，不要着急，现在开始进入正题，后面内容会有大量的代码实践，所以大家要坐稳了，别晕车了，晕车的话多看几遍，或者评论区提出你的疑问~

无限通配符场景

使用泛型，类型参数不确定并且不关心实际的类型参数，就可以使用<?>，像下面的代码

/**
 * 获取集合长度
 */
public static <T> int size(Collection<T> list){
    return list.size();
}

/**
 * 获取集合长度-2
 */
public static int sizeTwo(Collection<?>  list){
    return list.size();
}

/**
 * 获取任意Set两个集合交集数量
 */
public static <T,T2> int beMixedSum(Set<T> s1,Set<T2> s2){
    int i = 0;
    for (T t : s1) {
        if (s2.contains(t)) {
            i++;
        }
    }
    return i;
}

/**
 * 获取任意两个Set集合交集数量-2
 */
public static  int beMixedSumTwo(Set<?> s1,Set<?> s2){
    int i = 0;
    for (Object o : s1) {
        if (s2.contains(o)) {
            i++;
        }
    }
    return i;
}

size与sizeTwo这两个函数都可以正常使用，但是站在设计的角度，sizeTwo会更合适，函数的目标是返回任意集合的长度，入参采用<T>或<?>都可以接收，但是函数本身并不关心你是什么类型参数，仅仅只要返回长度即可，所以采用<?>。

beMixedSum与beMixedSumTwo这两个函数比较，道理同上面一样，beMixedSumTwo会更合适，函数的目标是返回两个任意Set集合的交集数量，beMixedSum函数虽然内部有使用到<T>，但是意义不大，因为contains入参是Object，函数本身并不关心你是什么类型参数，所以采用<?>。

忘了补充另一个场景，就是原生态类型，上述代码使用原生态类型函数使用也没问题，但是强烈不推荐，因为使用原生态就丢失了泛型带来的安全性与描述性！！！

上下边界通配符场景

首先泛型是不变的，换句话说List<Object> != List<String>，有时候需要更多灵活性，就可以通过上下边界通配符来做提升。

/**
 * 集合工具类
 */
public class CollectionUtils<T>{

    /**
     * 复制集合-泛型
     */
    public List<T>  listCopy(Collection<T> collection){
        List<T> newCollection = new ArrayList<>();
        for (T t : collection) {
            newCollection.add(t);
        }
        return newCollection;
    }

}

上面声明了一个CollectionUtils类，拥有listCopy方法，传入任意一个集合返回新的集合，看似没有什么问题，也很灵活，那再看看下面这段代码。

public static void main(String[] agrs){
    CollectionUtils<Number> collectionUtils = new CollectionUtils<>();
    List<Number>  list = new ArrayList<>();
    //list.add....
    List<Integer>  listTwo = new ArrayList<>();
    //listTwo.add....
    List<Double>  listThree = new ArrayList<>();
    //listThree.add....

    List<Number> list1 = collectionUtils.listCopy(list);
    list1 = collectionUtils.listCopy(listTwo);//err 编译异常
    list1 = collectionUtils.listCopy(listThree);//err 编译异常
}

创建CollectionUtils类，泛型的类型参数为Number，listCopy函数入参的泛型填充为Number，此时listCopy只支持泛型为Number的List，如果要让它同时支持泛型为Number子类的List，就需要使用上边界通配符，我们再追加一个方法

/**
 * 集合工具
 */
public class CollectionUtils<T>{

    /**
     * 复制集合-泛型
     */
    public List<T>  listCopy(Collection<T> collection){
        List<T> newCollection = new ArrayList<>();
        for (T t : collection) {
            newCollection.add(t);
        }
        return newCollection;
    }

    /**
     * 复制集合-上边界通配符
     */
    public  List<T>  listCopyTwo(Collection<? extends T> collection){
        List<T> newCollection = new ArrayList<>();
        for (T t : collection) {
            newCollection.add(t);

        }
        return newCollection;
    }
}

public static void main(String[] agrs){
    CollectionUtils<Number> collectionUtils = new CollectionUtils<>();
    List<Number>  list = new ArrayList<>();
    //list.add....
    List<Integer>  listTwo = new ArrayList<>();
    //listTwo.add....
    List<Double>  listThree = new ArrayList<>();
    //listThree.add....

    List<Number> list1 = collectionUtils.listCopyTwo(list);
    list1 = collectionUtils.listCopyTwo(listTwo);
    list1 = collectionUtils.listCopyTwo(listThree);
}

现在使用listCopyTwo就没有问题，listCopyTwo对比listCopy它的适用范围更广泛也更灵活，listCopy能做的listCopyTwo能做，listCopyTwo能做的listCopy就不一定能做了，除此之外，细心的小伙伴肯定发现了，使用上边界通配符的collection在函数内只使用到了读操作，遵循了只读不写原则。

看完了上边界通配符，再来看看下边界通配符，依然是复制方法


/**
 * 儿子
 */
public class Son extends Father{}

/**
 * 父亲
 */
public class Father  extends  Grandpa{}

/**
 * 爷爷
 */
public class Grandpa {}

/**
 * 集合工具
 */
public class CollectionUtils<T>{

    /**
     * 复制集合-泛型
     * target目标   src来源
     */
   public void copy(List<T> target,List<T> src){
        if (src.size() > target.size()){
            for (int i = 0; i < src.size(); i++) {
                target.set(i,src.get(i));
            }
        }
    }

}

定义了3个类，分别是Son儿子、Father父亲、Grandpa爷爷，它们是继承关系，作为集合元素，还声明了一个CollectionUtils类，拥有copy方法，传入两个集合，目标集合与来源集合，把来源集合元素复制到目标集合中，再看看下面这段代码

public static void main(String[] agrs){
    CollectionUtils<Father> collectionUtils = new CollectionUtils<>();

    List<Father>  fatherTargets = new ArrayList<>();
    List<Father>  fatherSources = new ArrayList<>();
    //fatherSources.add...
    collectionUtils.copy(fatherTargets,fatherSources);

    //子类复制到父类
    List<Son> sonSources = new ArrayList<>();
    //sonSources.add...
    collectionUtils.copy(fatherTargets,sonSources);//err 编译异常

}

创建CollectionUtils类，泛型的类型参数为Father父亲，copy函数入参的泛型填充为Father，此时copy只支持泛型为Father的List，也就说，只支持泛型的类型参数为Father之间的复制，如果想支持把子类复制到父类要怎么做，先分析下copy函数，copy函数的入参src在函数内部只涉及到了get函数，即读操作（泛型只作为get函数返回类型），符合只读不写原则，可以采用上边界通配符，调整代码如下

/**
 * 集合工具
 */
public class CollectionUtils<T>{

    /**
     * 复制集合-泛型
     * target目标   src来源
     */
    public void copy(List<T> target,List<? extends T> src){
        if (src.size() > target.size()){
            for (int i = 0; i < src.size(); i++) {
                target.set(i,src.get(i));
            }
        }
    }
}

public static void main(String[] agrs){
    CollectionUtils<Father> collectionUtils = new CollectionUtils<>();

    List<Father>  fatherTargets = new ArrayList<>();
    List<Father>  fatherSources = new ArrayList<>();
    //fatherSources.add...
    collectionUtils.copy(fatherTargets,fatherSources);

    //子类复制到父类
    List<Son> sonSources = new ArrayList<>();
    //sonSources.add...
    collectionUtils.copy(fatherTargets,sonSources);

    //把子类复制到父类的父类
    List<Grandpa> grandpaTargets = new ArrayList<>();
    collectionUtils.copy(grandpaTargets,sonSources);//err 编译异常
}

src入参调整为上边界通配符后，copy函数传入List<Son> sonSources就没问题了，此时的copy函数比相较之前的更加灵活了，支持同类与父子类复制，接着又发现了一个问题，目前能复制到上一级父类，如果是多级父类，还无法支持，继续分析copy函数，copy函数的入参target在函数内部只涉及到了add函数，即写操作（只作为add函数入参），符合只写不读原则，可以采用下边界通配符，调整代码如下

/**
 * 集合工具
 */
public class CollectionUtils<T>{

    /**
     * 复制集合-泛型
     * target目标   src来源
     */
    public void copy(List<? super T>  target,List<? extends T> src){
        if (src.size() > target.size()){
            for (int i = 0; i < src.size(); i++) {
                target.set(i,src.get(i));
            }
        }
    }
}

public static void main(String[] agrs){
    CollectionUtils<Father> collectionUtils = new CollectionUtils<>();

    List<Father>  fatherTargets = new ArrayList<>();
    List<Father>  fatherSources = new ArrayList<>();
    //fatherSources.add...
    collectionUtils.copy(fatherTargets,fatherSources);

    //子类复制到父类
    List<Son> sonSources = new ArrayList<>();
    //sonSources.add...
    collectionUtils.copy(fatherTargets,sonSources);

    //把子类复制到父类的父类
    List<Grandpa> grandpaTargets = new ArrayList<>();
    collectionUtils.copy(grandpaTargets,sonSources);
}

copy函数终于是完善了，可以说现在是真正支持父子类复制，不难发现copy函数的设计还是遵循通配符原则的，target作为目标集合，只做写入，符合只写不读原则，采用了下边界通配符，src作为来源集合写入到target目标集合，只做读取，符合只读不写原则，采用了上边界通配符，最后设计出来的copy函数，它的灵活性与适用范围是远超<T>方式设计的。

最后总结一下，什么时候用通配符，如果参数泛型类即要读也要写，那么就不推荐使用，使用正常的泛型即可，如果参数泛型类只读或写，就可以根据原则采用对应的上下边界，是不是十分简单，最后再说一次读写的含义，这块确实很容易晕

读：所谓读是指参数泛型类，泛型只作为该参数类的函数返回类型，那这个函数就是读，List作为参数泛型类，它的get函数就是读
写：所谓写是指参数泛型类，泛型只作为该参数类的函数入参，那这个函数就是写，List作为参数泛型类，它的add函数就是读

最后可以推荐下大家可以思考下Stream的forEach函数与map函数的设计，在Java1.8 Stream中是大量用到了通配符设计

-----------------------------------------------------------------
/**
 * 下边界通配符
 */
void forEach(Consumer<? super T> action);

public interface Consumer<T> {

    //写方法
    void accept(T t);
}

-----------------------------------------------------------------
/**
 * 上下边界通配符
 */
<R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper)

public interface Function<T, R> {

     //读写方法，T只作为入参符合写，R只作为返回值，符合读
    R apply(T t);
}
-----------------------------------------------------------------

//代码案例
public static void main(String[] agrs) {

        List<Father> fatherList = new ArrayList<>();

        Consumer<? super Father> action = new Consumer<Father>() {
            @Override
            public void accept(Father father) {
                //执行father逻辑
            }
        };

         //下边界通配符向上转型
        Consumer<? super Father> actionTwo = new Consumer<Grandpa>() {
            @Override
            public void accept(Grandpa grandpa) {
                //执行grandpa逻辑
            }
        };

         Function<? super Father, ? extends Grandpa> mapper = new Function<Father, Grandpa>() {
            @Override
            public Grandpa apply(Father father) {
                //执行father逻辑后返回Grandpa
                return new Grandpa();
            }
        };

        //下边界通配符向上转型，下边界通配符向下转型
         Function<? super Father, ? extends Grandpa> mapperTwo = new Function<Grandpa, Son>() {
            @Override
            public Son apply(Grandpa grandpa) {
                //执行grandpa逻辑后，返回Son
                return new Son();
            }
        };

        fatherList.stream().forEach(action);
        fatherList.stream().forEach(actionTwo);

        fatherList.stream().map(mapper);
        fatherList.stream().map(mapperTwo);

    }
-----------------------------------------------------------------

有限制泛型场景

有限制泛型很简单了，应用场景就是你需要对泛型的参数类型做限制，就可以使用它，比如下面这段代码

public class GenericClass<T extends Grandpa> {

    public void test(T t){
        //....
    }

}

public static void main(String[] agrs){
    GenericClass<Grandpa> grandpaGeneric = new GenericClass<>();
    grandpaGeneric.test(new Grandpa());
    grandpaGeneric.test(new Father());
    grandpaGeneric.test(new Son());

    GenericClass<Father> fatherGeneric = new GenericClass<>();
    fatherGeneric.test(new Father());
    fatherGeneric.test(new Son());

    GenericClass<Son> sonGeneric = new GenericClass<>();
    sonGeneric.test(new Son());

    GenericClass<Object> ObjectGeneric = new GenericClass<>();//err 编译异常

}

GenericClass泛型参数化类型被限制为Grandpa或其子类，就这么简单，千万不要把有限制泛型与上边界通配符搞混了，这两个不是同一个东西（<T extends Grandpa> != <? extends Grandpa>），<T extends Grandpa>不需要遵循上边界通配符的原则，它就是简单的泛型参数化类型限制，而且没有super的写法。

递归泛型场景

在有限制泛型的基础上，又可以衍生出递归泛型，就是自身需要使用到自身，比如集合进行自定义元素大小比较的时候，通常会配合Comparable接口来完成，看看下面这段代码

public class Person implements Comparable<Person> {

    private int age;

    public Person(int age) {
        this.age = age;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    @Override
    public int compareTo(Person o) {
        // 0代表相等 1代表大于  <0代表小于    
        return this.age - o.age;
    }
}

/**
 * 集合工具
 */
public class CollectionUtils{

    /**
     * 获取集合最大值
     */
    public static  <E extends Comparable<E>> E max(List<E> list){
        E result = null;
        for (E e : list) {
             if (result == null || e.compareTo(result) > 0){
                 result = e;
             }
        }
        return result;
    }
}

public static void main(String[] agrs){

    List<Person> personList = new ArrayList<>();
    personList.add(new Person(12));
    personList.add(new Person(19));
    personList.add(new Person(20));
    personList.add(new Person(5));
    personList.add(new Person(18));
    //返回年龄最大的Person元素 
    Person max = CollectionUtils.max(personList);

}

重点关注max泛型函数，max泛型函数的目标是返回集合最大的元素，内部比较元素大小，取最大值返回，也就说需要和同类型元素做比较，<E extends Comparable<E>>含义是，泛型E必须是Comparable或其子类/实现类，因为比较元素是同类型，所以Comparable泛型也是E,最终接收的List泛型参数化类型必须实现了Comparable接口，并且Comparable接口填充的泛型也是该参数化类型，就像上述代码一样。

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这里是阿星，一个热爱技术的Java程序猿，在公众号 「程序猿阿星」 里将会定期分享操作系统、计算机网络、Java、分布式、数据库等精品原创文章，2021，与您在 Be Better 的路上共同成长！。

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2021-05-21

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2021-05-21

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