--- theme: channing-cyan --- > 本文为稀土掘金技术社区首发签约文章，30天内禁止转载，30天后未获授权禁止转载，侵权必究！ ## 引言作为每天跟代码打交道的我们，相信对泛型这个技术并不陌生，可是你真的熟练掌握Java泛型了吗？一部分人可能会摇摇头，尽管每天都在用，但都是在使用别人封装的类库时才接触，单论直接对泛型的使用，在日常工作里鲜有涉及。或许是因为初学Java时的不在意，又或者是教学老师的不细心，所以导致有些小伙伴对泛型的掌握和理解并不算深刻。因此，本文将从基操深入到原理，再以日常编码中的实践举例，携手诸君重温Java泛型体系。 > 事先声明：基础扎实者可直接跳到第二、三阶段开始阅读。 > PS：个人编写的[《技术人求职指南》](https://s.juejin.cn/ds/USoa2R3/)小册已完结，其中从技术总结开始，到制定期望、技术突击、简历优化、面试准备、面试技巧、谈薪技巧、面试复盘、选`Offer`方法、新人入职、进阶提升、职业规划、技术管理、涨薪跳槽、仲裁赔偿、副业兼职……，为大家打造了一套“从求职到跳槽”的一条龙服务，同时也为诸位准备了七折优惠码：`3DoleNaE`，近期需要找工作的小伙伴可以点击：了解详情！ ## 一、Java泛型机制概述泛型（`Generics`）是JDK5中引入的一个新特性，它允许将一个类型作为参数传递给类、接口、方法使用，这种特性被称为参数化类型。与编译时类型安全检测机制相结合，能实现在编译期检测代码中的非法类型，泛型给Java带来的好处如下： * **类型安全**：能在编译时进行类型检查，避免了运行时类型转换出错的可能性； * **消除强制类型转换**：泛型减少了代码中的显式强制类型转换，使代码更加清晰简洁； * **提高代码的重用性**：可以基于泛型封装更加通用、灵活的代码，从而在不同场景下复用； * **更好的性能**：在某些情况下，泛型可以避免基础类型自动装箱和拆箱，提高程序性能。当然，Java在引入泛型之前，作为一门面向对象的编程语言，其中所具备的多态特性，也是泛化的一种体现，但通过多态机制去封装一个通用类库，使用起来会有些麻烦，下面来看看。 ### 1.1、为什么需要泛型？在泛型出现之前，如果我们封装一个通用的类库，如现在常用的`List`集合，该如何进行设计？如下： ```java public class CustomList { private Object[] elements; private int index = 0; public CustomList(int initialCapacity) { this.elements = new Object[initialCapacity]; } public void add(Object element) { // 如果集合可用容量不够，则对数组进行双倍扩容 if (index >= this.elements.length) { int length = this.elements.length; Object[] newElements = new Object[length * 2]; System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, length); elements = newElements; } this.elements[index++] = element; } public Object get(int index) { // 如果传入的下标不存在，则抛出下标越界异常 if (index < 0 || index >= this.elements.length) { throw new IndexOutOfBoundsException("max index : " + (this.elements.length - 1)); } return this.elements[index]; } } ``` 自定义的`CustomList`类作为一个容器，有可能用来承载任何类型的对象，为了确保通用性，内部使用`Object`数组来存储元素。接着，为了能够正常读写容器，我们封装了`add()、get()`两个方法，这两个方法的内在逻辑极其简单，向容器添加元素时，会先检查下是否还有空位置，没有则扩容，然后将元素添加到数组尾部。从容器获取元素时，先对传入的下标进行范围检查，合法则根据下标从数组里读取元素返回： ```java CustomList list = new CustomList(16); list.add("竹子爱熊猫"); list.add(new Object()); String zhuZi = (String) list.get(0); System.out.println(zhuZi); // 强制转换第二个元素会报错 String obj = (String) list.get(1); ``` 尽管目前可以通过`add()、get()`来对容器进行读写，可显然存在两个致命问题！首先是读取数据时，每次需要对读到的元素进行强制转换才能使用；其次是写入数据时，无法限制向容器里写入的元素类型，我们可以将任意类型的对象往容器里塞，而当从容器读取元素强制转换时，读到预期外的类型就会出现`ClassCastException`类型转换异常。上面这样的结果，显然并非我们所需，我们更希望的是：在读取数据时无需手动转换元素；在写入时，如果有可能存在潜在的错误，理应在编译期就告知我们，而不是等到运行期间再抛出异常。而Java泛型的诞生，则完美的解决此问题。 ### 1.2、Java泛型快速回顾泛型是Java编程中不可或缺的一部分，能极大地增强`Java`的类型系统和表达能力，在封装通用类库、框架及实践各种设计模式时被广泛应用，我们来看个泛型的例子： ```java public class ZhuZi { private T data; public void setData(T data) { this.data = data; } public T getData() { return data; } } public static void main(String[] args) { ZhuZi zs = new ZhuZi<>(); ZhuZi zi = new ZhuZi<>(); } ``` 上述案例中，`ZhuZi`类定义了一个类型参数`T`（也被成为类型占位符），这种写法则是所谓的泛型。再看类成员，其中定义了一个类型为`T`的成员。在下面的`main()`方法里使用`ZhuZi`类时，在类名后面通过`<>`尖括号指定了不同的类型，这是啥意思？很简单，假如`ZhuZi`是一个箱子，里面的`data`就是具体要放置的东西，**而`<>`里指定的类型，就相当于一个标签**，表示`zs、zi`这些具体的箱子究竟可以放什么物品进去。 ```java zs.setData("竹子爱熊猫"); String zhuZi = zs.getData(); System.out.println(zhuZi); // 强制塞入指定类型之外的数据会报错 zs.setData(new Object()); ``` 在我们使用这些带泛型的对象时，从其中读取数据再也无须强制转换。同样，强行往其中塞入非`String`的数据，在编译期间就会报错。 ### 1.3、泛型的三种作用域上面简单回顾泛型的基本知识后，下面一起来看看泛型的三种作用域。 #### 1.3.1、泛型类当一个类中，某个变量或方法入/出参的类型不确定，就可以定义带有泛型的类来解决此困境，例如最常见的后端接口统一的返回结果类： ```java public class ServerResponse implements Serializable { private static final long serialVersionUID = 1L; // 响应状态码 private String code; // 响应消息 private String msg; // 是否成功标识 private boolean isSuccess; // 响应的数据 private T data; // 链路追踪ID private String traceId; // 接口响应时间戳 private final long timestamp = System.currentTimeMillis(); } ``` 上述`ServerResponse`类就是泛型类的写法，即类名后面定义了一个类型参数`T`，这个`T`可以是任意符合Java命名规范的名字，但通常都是对应英文的缩写，如`K=Key、V=Value、T=Type、E=Element……`。在`ServerResponse`类的内部，`T`可以被当作字段的类型使用，也可以作为方法的形参定义、出参类型使用，不过要格外注意的是：**普通类定义的类型参数，无法提供给类的静态成员使用**，Why？这跟Java的类型推导机制有关，因为静态成员属于类，而泛型依赖于具体的类实例对象来推导，如果实例对象都没有创建，Java自然无法推导泛型对应的具体类型。当然，定义了一个泛型类后，使用该类时可以不指定类型，如： ```java ServerResponse resp = new ServerResponse(); resp.setData(1); resp.setData("竹子"); resp.setData(new Object()); ``` 这是什么原理呢？很简单，如果不通过`<>`指定具体类型，那么泛型默认就为`Object`类型，因为它是Java所有类的基类，意味着你可以向`resp`塞入任何数据，只不过读取使用时，又需要强制转换后方能使用罢了。 #### 1.3.2、泛型接口泛型接口与泛型类的定义方式完全相同，只需在接口名后面跟上``即可： ```java public interface PandaFactory { T getPanda(); } ``` 众所周知，接口中定义的所有方法子类必须实现（静态方法与默认方法除外），而接口定义的泛型同样具备此特性，如果一个类想要实现某个泛型接口，那么该子类必须使用或继承（延续）该泛型，啥意思？如下： ```java public class BigPanda implements PandaFactory {} public class BigPanda implements PandaFactory {} public class BigPanda implements PandaFactory {} // 错误的写法 public class BigPanda implements PandaFactory {} ``` 正如代码中所示，第一种写法代表子类实现接口时，明确将泛型指定成了`String`类型的实参；而第二种写法省略了泛型，则默认会使用`Object`；第三种方式表示继承了接口的泛型，`BigPanda`类成为一个泛型类；但最后一种写法会报错，因为这种写法既未使用泛型，也未继承接口泛型。 ```java public class ZhuZi {} ``` 当然，不管是泛型类，还是泛型接口，都可以定义一或多个泛型参数，多个泛型之间用英文逗号分隔即可。 #### 1.3.3、泛型方法泛型方法允许在方法级别引入类型参数，从而编写出更加通用、灵活和可重用的代码。但是，泛型类和泛型接口的定义十分简单，而泛型方法却有些令人费解，这也是许多人未完全掌握的一种泛型方式，先来看个例子： ```java public boolean equals(O obj1, O obj2) { return obj1 instanceof CharSequence && obj2 instanceof CharSequence ? obj1.equals(obj2) : obj1 == obj2; } ``` 上述是一个比较两个对象是否相同的方法，如果传入的两个参数都为字符类型，则使用`equals()`来比较，否则使用`==`来进行比较。不过方法的内在逻辑并不重要，重点来看看这个方法的定义方式，与普通方法不同点在于：**访问修饰符与方法出参类型之间，通过尖括号定义了一个泛型**，而这种方法则被称之为泛型方法。实例方法、接口方法、静态方法、抽象方法、常量方法……，Java中的任何方法都可以被声明为泛型方法，方法泛型与类泛型的区别在于：**类泛型相当于全局变量，只要是当前类的实例成员（包括内部类里），都可以使用类上定义的泛型；而方法泛型等价于局部变量，只能在对应方法的形参、出参、方法体内使用**。方法同样可以定义多个泛型，格式也与之前类似，如下： ```java public static V putMap(K key, V value) { HashMap map = new HashMap<>(); return map.putIfAbsent(key, value); } ``` 方法定义了多个泛型时，定义的泛型可以在方法作用域的任意位置出现，但要记住，如果定义了一个泛型，直接将其作为出参类型，这时将难以返回结果，例如： ```java public R handler(P param) { return ???; } ``` 这个方法定义了两个泛型，`P`作为了方法形参类型，`R`作为了方法出参类型，可对于编译器来说，它无法推断出这个`R`的具体类型，这时只能强转或外部传入`R`： ```java // 方式一：将方法返回结果强转成R类型 public R handler(P param) { return (R) new Object(); } // 方式二：由外部传入R类型入参，并将该参数作为出参 public R handler(P param, R result) { return result; } ``` 最后，在调用泛型方法时，一般无需手动指定类型，例如前面的`putMap()`方法，可以直接这么调用： ```java String value = putMap("name", "竹子爱熊猫"); ``` 这种方式编译器会自动推导传入的类型，不过也可以手动给定类型： ```java ZhuZi.putMap("name", "竹子爱熊猫"); ``` 众所周知，Java中的`.`代表调用方法的意思，而调用泛型方法时，只需在`.`后面跟上具体的泛型就行。 ## 二、泛型通配符与类型擦除上阶段了解Java泛型的基本知识后，不难发现一个问题，不论是类、接口，还是方法定义的泛型，在传入类型参数时，都可以传递任意类型，这虽然能够极大增强代码的复用性、灵活性和类型安全性，但在某些情况下也会存在些许问题，好比你封装了一个通用方法，但它仅适用于处理某类特定的对象，这时该怎么办？来看例子： ```java public static int sizeSum(A a, B b) { // 求a、b两个集合的长度 } ``` 你明确清楚这个`sizeSum()`方法是为了封装给集合类使用，作用是求和两个集合的元素数量，这个需求很容易对吧？直接用`a.size()`加上`b.size()`就行，可当你尝试调用`a、b`入参的`size()`方法时，就会发现根本调用不了！ ![无法调用](https://p9-xtjj-sign.byteimg.com/tos-cn-i-73owjymdk6/569a8503fdfc40ab950c712dfddb5987~tplv-73owjymdk6-jj-mark-v1:0:0:0:0:5o6Y6YeR5oqA5pyv56S-5Yy6IEAg56u55a2Q54ix54aK54yr:q75.awebp?rk3s=f64ab15b&x-expires=1760573283&x-signature=efhuY5GHZDbD72dj59Ca7NO9jlA%3D) ### 2.1、边界约束通配符正如前面的案例所示，在有些特殊场景下，**我们更希望能够限制泛型参数的类型，以确保类型安全或满足特定的功能需求**。Java官方显然也想到了这点，所以提供了泛型边界约束机制来满足这些场景，而泛型的边界约束又分为上界、下界两种。 #### 2.1.1、泛型上界（Upper Bound） **上界约束通过`extends`关键字来指定泛型的上界，指定后则代表对应泛型参数必须是指定类型或该类型的子类型**。也就是说，泛型上界可以用来限制泛型参数的类型范围，例如你声明某个泛型的上界为`ZhuZi`，当你传入的类型并非`ZhuZi`或它的子类时，就无法通过编译校验，这进一步确保类型安全。其次，限制泛型上界后，**还可以使用指定类型的方法或属性**。以刚刚的例子说明，如果明确清楚这个方法是提供给集合类使用，那么可以这么操作： ```java public static , B extends Collection, E> int totalSize(A a, B b) { return a.size() + b.size(); } ``` 这时大家会发现，`a、b`入参又能正常调用`size()`方法了，为啥？因为指定了`A、B`泛型的上限为`Collection`，这代表调用`totalSize()`方法时，传递进来的对象都是`Collection`自身或其子类，而`size()`方法由`Collection`定义，那么入参`a、b`自然可以正常使用此方法！综上，当你想要封装一个只能处理某个类型及其子类的方法时，就可以将泛型的上界定义成特定的类，既能在编译阶段就可以阻止不规范的类型传递，还能在泛型类、泛型方法内部调用特定类的方法\~ #### 2.1.2、泛型下界（Lower Bound）上界用于约束泛型的上限，下界约束与之相反，它用于约束泛型的下限，我们可以通过`super`关键字来指定泛型的下界，代表泛型参数必须是指定类型的超类型/父类型（包含自身）。不过与类型上界有所区别的是：`super`关键字无法直接作用在泛型定义上，这是啥意思呢？如下： ```java public class ZhuZi {} ``` 如果凭借前面使用`extends`关键字的经验，`super`应该是按上述形式来使用，可当你试图写出这样的代码时，就会发现Java语法糖并不支持，那该怎么用？通常来说，`super`会结合[Java8的函数式接口与Stream流](https://juejin.cn/post/7372863316912078889#heading-12)来一起使用，好比封装一个通用的`StreamUtils`工具类，其中需要实现过滤方法： ```java public static List filter(List list, Predicate predicate){ return list.stream().filter(predicate).collect(Collectors.toList()); } ``` 观察后不难发现，泛型下界的正确使用方式是：在使用泛型参数传递``，这里的`?`放在后面讲，先来寥寥这个泛型下界，来看个简单例子： ```java public static void printNumbers(List numbers) { numbers.forEach(System.out::println); } ``` 这是一个打印输出集合元素的方法，入参`numbers`通过`super`限制了泛型下界为`Number`类型，这代表调用此方法至少要传递`Number`类型的`List`对象进来： ```java // 能正常编译的方式 List numbers = new ArrayList<>(); printNumbers(numbers); List