[JAVA基礎] 十一、泛型詳解
一. 泛型概念的提出（為什麼需要泛型）？
首先，我們看下下面這段簡短的程式碼:
public class GenericTest { public static void main(String[] args) { List list = new ArrayList(); list.add("qqyumidi"); list.add("corn"); list.add(100); for (int i = 0; i < list.size(); i++) { String name = (String) list.get(i); // 1 System.out.println("name:" + name); } } }
定義了一個List型別的集合，先向其中加入了兩個字串型別的值，隨後加入一個Integer型別的值。這是完全允許的，因為此時list預設的型別為Object型別。在之後的迴圈中，由於忘記了之前在list中也加入了Integer型別的值或其他編碼原因，很容易出現類似於//1中的錯誤。因為編譯階段正常，而執行時會出現“java.lang.ClassCastException”異常。因此，導致此類錯誤編碼過程中不易發現。
在如上的編碼過程中，我們發現主要存在兩個問題：
1.當我們將一個物件放入集合中，集合不會記住此物件的型別，當再次從集合中取出此物件時，改物件的編譯型別變成了Object型別，但其執行時型別任然為其本身型別。
2.因此，//1處取出集合元素時需要人為的強制型別轉化到具體的目標型別，且很容易出現“java.lang.ClassCastException”異常。
那麼有沒有什麼辦法可以使集合能夠記住集合內元素各型別，且能夠達到只要編譯時不出現問題，執行時就不會出現“java.lang.ClassCastException”異常呢？答案就是使用泛型。
二.什麼是泛型？
泛型，即“引數化型別”。一提到引數，最熟悉的就是定義方法時有形參，然後呼叫此方法時傳遞實參。那麼引數化型別怎麼理解呢？顧名思義，就是將型別由原來的具體的型別引數化，類似於方法中的變數引數，此時型別也定義成引數形式（可以稱之為型別形參），然後在使用/呼叫時傳入具體的型別（型別實參）。
看著好像有點複雜，首先我們看下上面那個例子採用泛型的寫法。
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
/*
List list = new ArrayList();
list.add("qqyumidi");
list.add("corn");
list.add(100);
*/
List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("qqyumidi");
list.add("corn");
//list.add(100); // 1 提示編譯錯誤
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
String name = list.get(i); // 2
System.out.println("name:" + name);
}
}
}採用泛型寫法後，在//1處想加入一個Integer型別的物件時會出現編譯錯誤，通過List<String>，直接限定了list集合中只能含有String型別的元素，從而在//2處無須進行強制型別轉換，因為此時，集合能夠記住元素的型別資訊，編譯器已經能夠確認它是String型別了。
結合上面的泛型定義，我們知道在List<String>中，String是型別實參，也就是說，相應的List介面中肯定含有型別形參。且get()方法的返回結果也直接是此形參型別（也就是對應的傳入的型別實參）。下面就來看看List介面的的具體定義：
public interface List<E> extends Collection<E> {
int size();
boolean isEmpty();
boolean contains(Object o);
Iterator<E> iterator();
Object[] toArray();
<T> T[] toArray(T[] a);
boolean add(E e);
boolean remove(Object o);
boolean containsAll(Collection<?> c);
boolean addAll(Collection<? extends E> c);
boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);
boolean removeAll(Collection<?> c);
boolean retainAll(Collection<?> c);
void clear();
boolean equals(Object o);
int hashCode();
E get(int index);
E set(int index, E element);
void add(int index, E element);
E remove(int index);
int indexOf(Object o);
int lastIndexOf(Object o);
ListIterator<E> listIterator();
ListIterator<E> listIterator(int index);
List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);
}我們可以看到，在List介面中採用泛型化定義之後，<E>中的E表示型別形參，可以接收具體的型別實參，並且此介面定義中，凡是出現E的地方均表示相同的接受自外部的型別實參。
自然的，ArrayList作為List介面的實現類，其定義形式是：
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
checkForComodification();
return ArrayList.this.elementData(offset + index);
}
//...省略掉其他具體的定義過程
}由此，我們從原始碼角度明白了為什麼//1處加入Integer型別物件編譯錯誤，且//2處get()到的型別直接就是String型別了。
三.自定義泛型介面、泛型類和泛型方法
從上面的內容中，大家已經明白了泛型的具體運作過程。也知道了介面、類和方法也都可以使用泛型去定義，以及相應的使用。是的，在具體使用時，可以分為泛型介面、泛型類和泛型方法。
自定義泛型介面、泛型類和泛型方法與上述Java原始碼中的List、ArrayList類似。如下，我們看一個最簡單的泛型類和方法定義：
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
Box<String> name = new Box<String>("corn");
System.out.println("name:" + name.getData());
}
}
class Box<T> {
private T data;
public Box() {
}
public Box(T data) {
this.data = data;
}
public T getData() {
return data;
}
}在泛型介面、泛型類和泛型方法的定義過程中，我們常見的如T、E、K、V等形式的引數常用於表示泛型形參，由於接收來自外部使用時候傳入的型別實參。那麼對於不同傳入的型別實參，生成的相應物件例項的型別是不是一樣的呢？
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
Box<String> name = new Box<String>("corn");
Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
System.out.println("name class:" + name.getClass()); // com.qqyumidi.Box
System.out.println("age class:" + age.getClass()); // com.qqyumidi.Box
System.out.println(name.getClass() == age.getClass()); // true
}
}由此，我們發現，在使用泛型類時，雖然傳入了不同的泛型實參，但並沒有真正意義上生成不同的型別，傳入不同泛型實參的泛型類在記憶體上只有一個，即還是原來的最基本的型別（本例項中為Box），當然，在邏輯上我們可以理解成多個不同的泛型型別。
究其原因，在於Java中的泛型這一概念提出的目的，導致其只是作用於程式碼編譯階段，在編譯過程中，對於正確檢驗泛型結果後，會將泛型的相關資訊擦出，也就是說，成功編譯過後的class檔案中是不包含任何泛型資訊的。泛型資訊不會進入到執行時階段。
對此總結成一句話：泛型型別在邏輯上看以看成是多個不同的型別，實際上都是相同的基本型別。
四.型別萬用字元
接著上面的結論，我們知道，Box<Number>和Box<Integer>實際上都是Box型別，現在需要繼續探討一個問題，那麼在邏輯上，類似於Box<Number>和Box<Integer>是否可以看成具有父子關係的泛型型別呢？
為了弄清這個問題，我們繼續看下下面這個例子:
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
Box<Number> name = new Box<Number>(99);
Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
getData(name);
//The method getData(Box<Number>) in the type GenericTest is
//not applicable for the arguments (Box<Integer>)
getData(age); // 1
}
public static void getData(Box<Number> data){
System.out.println("data :" + data.getData());
}
}我們發現，在程式碼//1處出現了錯誤提示資訊：The method getData(Box<Number>) in the t ype GenericTest is not applicable for the arguments (Box<Integer>)。顯然，通過提示資訊，我們知道Box<Number>在邏輯上不能視為Box<Integer>的父類。那麼，原因何在呢？
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
Box<Integer> a = new Box<Integer>(712);
Box<Number> b = a; // 1
Box<Float> f = new Box<Float>(3.14f);
b.setData(f); // 2
}
public static void getData(Box<Number> data) {
System.out.println("data :" + data.getData());
}
}
class Box<T> {
private T data;
public Box() {
}
public Box(T data) {
setData(data);
}
public T getData() {
return data;
}
public void setData(T data) {
this.data = data;
}
}這個例子中，顯然//1和//2處肯定會出現錯誤提示的。在此我們可以使用反證法來進行說明。
假設Box<Number>在邏輯上可以視為Box<Integer>的父類，那麼//1和//2處將不會有錯誤提示了，那麼問題就出來了，通過getData()方法取出資料時到底是什麼型別呢？Integer? Float? 還是Number？且由於在程式設計過程中的順序不可控性，導致在必要的時候必須要進行型別判斷，且進行強制型別轉換。顯然，這與泛型的理念矛盾，因此，在邏輯上Box<Number>不能視為Box<Integer>的父類。
好，那我們回過頭來繼續看“型別萬用字元”中的第一個例子，我們知道其具體的錯誤提示的深層次原因了。那麼如何解決呢？總部能再定義一個新的函式吧。這和Java中的多型理念顯然是違背的，因此，我們需要一個在邏輯上可以用來表示同時是Box<Integer>和Box<Number>的父類的一個引用型別，由此，型別萬用字元應運而生。
型別萬用字元一般是使用 ? 代替具體的型別實參。注意了，此處是型別實參，而不是型別形參！且Box<?>在邏輯上是Box<Integer>、Box<Number>...等所有Box<具體型別實參>的父類。由此，我們依然可以定義泛型方法，來完成此類需求。
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
Box<String> name = new Box<String>("corn");
Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
Box<Number> number = new Box<Number>(314);
getData(name);
getData(age);
getData(number);
}
public static void getData(Box<?> data) {
System.out.println("data :" + data.getData());
}
}有時候，我們還可能聽到型別萬用字元上限和型別萬用字元下限。具體有是怎麼樣的呢？
在上面的例子中，如果需要定義一個功能類似於getData()的方法，但對型別實參又有進一步的限制：只能是Number類及其子類。此時，需要用到型別萬用字元上限。
public class GenericTest {
public static void main(String[] args) {
Box<String> name = new Box<String>("corn");
Box<Integer> age = new Box<Integer>(712);
Box<Number> number = new Box<Number>(314);
getData(name);
getData(age);
getData(number);
//getUpperNumberData(name); // 1
getUpperNumberData(age); // 2
getUpperNumberData(number); // 3
}
public static void getData(Box<?> data) {
System.out.println("data :" + data.getData());
}
public static void getUpperNumberData(Box<? extends Number> data){
System.out.println("data :" + data.getData());
}
}此時，顯然，在程式碼//1處呼叫將出現錯誤提示，而//2 //3處呼叫正常。
型別萬用字元上限通過形如Box<? extends Number>形式定義，相對應的，型別萬用字元下限為Box<? super Number>形式，其含義與型別萬用字元上限正好相反，在此不作過多闡述了。
五.話外篇
本文中的例子主要是為了闡述泛型中的一些思想而簡單舉出的，並不一定有著實際的可用性。另外，一提到泛型，相信大家用到最多的就是在集合中，其實，在實際的程式設計過程中，自己可以使用泛型去簡化開發，且能很好的保證程式碼質量。並且還要注意的一點是，Java中沒有所謂的泛型陣列一說。
對於泛型，最主要的還是需要理解其背後的思想和目的。