深入Java泛型及其设计原则

▐  背景

在没有泛型之前，必须使用Object编写适用于多种类型的代码，想想就令人头疼，并且非常的不安全。同时由于数组的存在，设计者为了让其可以比较通用的进行处理，也让数组允许协变，这又为程序添加了一些天然的不安全因素。为了解决这些情况，Java的设计者终于在Java5中引入泛型，然而，正是因为引入泛型的时机较晚，为了兼容先前的代码，设计者也不得不做出一些限制，来让使用者（也就是我们）以难受换来一些安全。

▐  优点

• 程序更加易读
• 安全性有所保证

import java.util.ArrayList;import java.util.Date;
public class Main { public static void main(String[] args) { ArrayList list = new ArrayList(); //强制类型转换 String res = (String) list.get(0); //十分不安全的行为 list.add(new Date()); }}

这种写法在编译类型时不会报错，但一旦使用get获取结果并试图将Date转换为其他类型时，很有可能出现类型转换异常，为了解决这种情况，类型参数应用而生。

▐  类型参数

import java.util.ArrayList;
public class Main { public static void main(String[] args) { ArrayList<String> objects = new ArrayList<>(); objects.add("Hello"); }}

这使得代码具有更好的可读性，并且在调用get()的时候，无需进行强转，最重要的是，编译器终于可以检查一个插入操作是否符合要求，运行时可能出现的各种类型转换错误得以在编译阶段就被阻止。

import java.util.ArrayList;import java.util.Date;
public class Main { public static void main(String[] args) { ArrayList<String> objects = new ArrayList<>(); //we can do it like that objects.add("Hello"); //wrong example objects.add(new Date()); }}

基本用法

▐  泛型类

public class Animal<T> { private String name; private T mouth;
 public T getMouth(){ return mouth; }}

public class Animal<T,U> { private String name; private T mouth; private U eyes;
 public T getMouth(){ return mouth; }}

▐  泛型方法

public class Animal<T,U> { private T value; public static <T> T get(T... a){ return a[a.length-1]; } public T getFirst(){ return value; }}

类型擦除

 

 

 

 

public class Main { public static void main(String[] args) { Animal<Integer,Double> pair = new Animal<>(); Integer first = pair.getFirst(); }}

• 对原始方法的调用。
• 将返回的Object类型强制转换为Integer类型。

▐  方法桥接

 

 



图片来源：RudeCrab

▐  总结

• 虚拟机中没有泛型，只有普通的类和方法。
• 所有的类型参数都会替换为他们的限定类型。
• 会合成桥接方法来保持多态。
• 为保持类型安全性，必要时会插入强制类型转换。

变型与数组

 

• 则f(Dog)是f(Animal)的子类，称为协变；
• 则f(Dog)是f(Animal)的父类，成为逆变；
• 则f(Dog)和f(Animal)没有任何关系；

▐  上界

 



到这里可以顺便说一下集合的设计，可以注意到集合中只有add方法是泛型参数，而其余方法并不是，为何要这样设计，为何不把其余方法的参数类型也改为E？其原因就是在于，如果将contains和remove改为E，那么声明上界之后，调用这两个方法会引发编译错误，然而这两个方法均为类型安全方法，自然不可声明为E，add作为很明显的写方法，自然也需要用E作为参数类型，到这里，不得不感叹类库设计者的想法独到。

 

▐  下界

 

 

▐  PECS

 

 

结语

泛型的引入极大地提高了代码的安全性和可读性，但同时也带来了一些限制和挑战。特别是类型擦除机制，虽然保证了向后兼容性，但也导致了一些潜在的问题，如不能实例化类型参数和不能使用基本类型等。

在实际开发中，掌握泛型的基本用法和高级特性，如PECS原则，对于编写高效、安全的代码至关重要。通过合理使用泛型，我们可以避免许多常见的类型转换错误，提高代码的健壮性和可维护性。希望本文能帮助读者更好地理解和应用Java泛型，从而在日常开发中更加得心应手。