## 一、引言 ### Java泛型的背景和作用 Java泛型是Java编程语言中的一个特性，引入泛型的目的是为了增强代码的类型安全性和重用性。在没有泛型之前，Java中的集合类（如ArrayList、HashMap等）只能存储Object类型的对象，这使得在使用集合时需要进行强制类型转换，容易出现类型错误。泛型的背景：在Java 5版本之前，Java的类型是静态的，在编译时确定，并且在运行时擦除类型信息。这种情况下，编译器无法对集合的元素类型进行验证，因此可能会导致运行时类型错误。为了解决这个问题，Java引入了泛型机制。 **泛型的作用**： 1. 类型安全：泛型使得在编译时就能够检测到类型错误，避免了在运行时出现类型转换异常。 2. 代码重用：通过使用泛型，可以编写通用的代码，适用于多种不同类型的数据，提高了代码的灵活性和复用性。 3. API设计：泛型使得API的设计更加清晰和一致，可以定义泛型接口、类和方法，提供更加灵活的参数类型和返回值类型。 4. 增强集合类：泛型使集合类更加类型安全和简洁，不再需要显式进行类型转换。在使用泛型时，可以定义类、接口、方法和变量等具有泛型参数，并通过使用具体的类型实参来指定泛型的具体类型。例如，可以定义一个泛型类ArrayList，其中的T表示类型参数，可以在创建ArrayList对象时指定具体的类型，如ArrayList表示存储整数的ArrayList。 ### 泛型的基本概念和好处 ##### 基本概念： - 类型参数：在泛型中，使用类型参数来表示一个未知的类型。类型参数可以用任意标识符来表示，通常使用单个大写字母作为惯例，如`T`、`E`、`K`等。 - 实际类型参数：在使用泛型时，需要指定具体的类型给类型参数，这些具体的类型被称为实际类型参数。例如，在创建一个泛型类的实例时，可以将`Integer`作为实际类型参数传递给类型参数`T`，从而创建一个存储整数的对象。 ##### 好处： - 类型安全性：泛型提供了更严格的类型检查，在编译时就能够发现类型错误。通过指定具体的类型参数，可以在编译期间捕获不兼容的类型操作，避免了在运行时出现类型转换错误和相关的异常。 - 代码重用性：泛型使得我们可以编写通用的代码逻辑，可以在多种类型上进行操作，而无需为每种类型都编写相应的代码。这样可以减少代码的重复，提高代码的可维护性和可读性。 - 高效性：泛型在编译时进行类型擦除，将泛型类型转换为它们的边界类型（通常是Object类型）。这意味着在运行时并不需要保留泛型的类型信息，从而避免了额外的开销，提高了程序的性能。 ## 二、泛型类型和方法 ### 泛型类 ##### 定义泛型类的语法和使用方法在许多编程语言中，如Java和C#，泛型类是一种特殊类型的类，它可以接受不同类型的参数进行实例化。泛型类提供了代码重用和类型安全性的好处，因为它们可以与各种数据类型一起使用，而无需为每种类型编写单独的类。下面是定义泛型类的语法： ```java public class GenericClass { // 类成员和方法定义 } ``` 在上面的示例中，`GenericClass` 是一个泛型类的名称，`` 表示类型参数，`T` 可以替换为任何合法的标识符，用于表示实际类型。要使用泛型类，可以通过指定实际类型来实例化它。例如，假设我们有一个名为 `MyClass` 的泛型类，我们可以按以下方式使用它： ```java GenericClass myInstance = new GenericClass(); ``` 在上面的示例中，我们使用整数类型实例化了 `GenericClass` 泛型类。这样，`myInstance` 将是一个只能存储整数类型的对象。在实例化泛型类后，可以使用该类中定义的成员和方法，就像普通的类一样。不同之处在于，泛型类中的成员或方法可以使用类型参数 `T`，并且会根据实际类型进行类型检查和处理。如果需要在泛型类中使用多个类型参数，可以通过逗号分隔它们： ```java public class MultiGenericClass { // 类成员和方法定义 } ``` 上面的示例定义了一个具有两个类型参数的泛型类 `MultiGenericClass`。总结起来，定义泛型类的语法是在类名后面使用 `` 或其他类型参数，并在类中使用这些类型参数。然后，可以通过指定实际类型来实例化泛型类，并可以使用泛型类中定义的成员和方法。 ##### 类型参数的限定和通配符的使用 **类型参数的限定**：类型参数的限定允许我们对泛型类或方法的类型参数进行约束，以确保只能使用特定类型或满足特定条件的类型。在 Java 中，可以使用关键字 `extends` 来限定类型参数。有两种类型参数的限定方式： 1. **单一限定（Single Bound）**：指定类型参数必须是某个类或接口的子类。 ```java public class MyClass { // 类成员和方法定义 } ``` 在上面的示例中，类型参数 `T` 必须是 `SomeClass` 类的子类或实现了 `SomeClass` 接口的类型。 2. **多重限定（Multiple Bounds）**：指定类型参数必须是多个类或接口的子类，并且只能有一个类（如果有）。 ```java public class MyClass { // 类成员和方法定义 } ``` 在上面的示例中，类型参数 `T` 必须是 `ClassA` 类的子类，并且还要实现 `InterfaceB` 和 `InterfaceC` 接口。通过类型参数的限定，可以在泛型类或方法中对类型进行更精确的控制和约束，以提高代码的类型安全性和灵活性。 **通配符的使用**：通配符是一种特殊的类型参数，用于在泛型类或方法中表示未知类型或不确定的类型。有两种通配符可以使用： 1. **无限定通配符（Unbounded Wildcard）**：使用问号 `?` 表示，表示可以匹配任何类型。 ```java public void myMethod(List myList) { // 方法实现 } ``` 在上面的示例中，`myMethod` 方法接受一个类型为 `List` 的参数，但是该列表的元素类型是未知的，可以是任何类型。 2. **有限定通配符（Bounded Wildcard）**：使用 `extends` 和具体类或接口来限定通配符所能匹配的类型范围。 ```java public void myMethod(List myList) { // 方法实现 } ``` 在上面的示例中，`myMethod` 方法接受一个类型为 `List` 的参数，但是该列表的元素类型必须是 `SomeClass` 类或其子类。通过使用通配符，可以编写更通用的泛型代码，允许处理各种类型的参数。它提供了更大的灵活性，尤其是当你不关心具体类型时或需要对多个类型进行操作时。需要注意的是，在使用通配符时，不能对带有通配符的泛型对象进行添加元素的操作，因为无法确定通配符表示的具体类型。但是可以进行读取元素的操作。如果需要同时支持添加和读取操作，可以使用有限定通配符来解决这个问题。 ##### 实例化泛型类和类型推断在Java中，泛型类是能够对类型进行参数化的类。通过使用泛型，我们可以编写更加通用和可复用的代码，同时提高类型安全性。在实例化泛型类时，我们需要指定具体的类型参数。以下是实例化泛型类的一般语法： ```java ClassName objectName = new ClassName<>(); ``` 在上面的语法中，`ClassName` 是泛型类的名称，`DataType` 是实际类型参数的占位符。通过将适当的类型替换为 `DataType`，我们可以创建一个特定类型的对象。例如，如果有一个泛型类 `Box`，其中 `T` 是泛型类型参数，我们可以实例化它如下： ```java Box integerBox = new Box<>(); ``` 在这个例子中，我们将泛型类型参数 `T` 替换为 `Integer`，然后创建了一个 `Box` 类型的整数对象。另一方面，类型推断是指编译器根据上下文信息自动推断出泛型类型参数的过程。在某些情况下，我们可以省略泛型类型参数，并让编译器自动推断它们。这样可以简化代码，使其更具可读性。以下是一个示例，展示了类型推断的用法： ```java Box integerBox = new Box<>(); // 类型推断 List stringList = new ArrayList<>(); // 类型推断 ``` 在这些示例中，我们没有显式地指定泛型类型参数，而是使用了 `<>` 运算符。编译器会根据变量的声明和初始化值来推断出正确的类型参数。需要注意的是，类型推断只在Java 7及更高版本中才可用。在旧版本的Java中，必须显式指定泛型类型参数。 ### 泛型方法 ##### 定义泛型方法的语法和使用方法泛型方法是指具有泛型类型参数的方法。通过使用泛型方法，我们可以在方法级别上使用类型参数，使方法能够处理不同类型的数据，并提高代码的灵活性和复用性。以下是定义泛型方法的一般语法： ```java public ReturnType methodName(T parameter) { // 方法体 } ``` 在上面的语法中，`` 表示类型参数的占位符，可以是任意标识符（通常使用单个大写字母）。`T` 可以在方法参数、返回类型和方法体内部使用。`ReturnType` 是方法的返回类型，可以是具体类型或者也可以是泛型类型。下面是一个简单的示例，展示了如何定义和使用泛型方法： ```java public void printArray(T[] array) { for (T element : array) { System.out.println(element); } } // 调用泛型方法 Integer[] intArray = { 1, 2, 3, 4, 5 }; printArray(intArray); String[] stringArray = { "Hello", "World" }; printArray(stringArray); ``` 在上面的示例中，我们定义了一个名为 `printArray` 的泛型方法。它接受一个泛型数组作为参数，并打印出数组中的每个元素。我们可以使用这个方法打印不同类型的数组，例如整数数组和字符串数组。需要注意的是，泛型方法可以独立于泛型类存在，并且可以在任何类中定义和使用。它们提供了更大的灵活性，使我们能够对特定的方法进行泛型化，而不仅仅是整个类。 ##### 调用泛型方法和类型推断在调用泛型方法时，我们需要注意几个关键点： 1. 显式指定类型参数：如果泛型方法的类型参数没有被编译器自动推断出来，我们需要显式地指定类型参数。可以在方法名前使用尖括号（<>）并提供具体的类型参数。 ```java // 显式指定类型参数为String String result = myGenericMethod.genericMethod(argument); ``` 2. 自动类型推断：Java编译器在某些情况下能够自动推断泛型方法的类型参数，使代码更简洁易读。可以省略显式指定类型参数。 ```java // 自动类型推断，根据参数类型推断类型参数为Integer Integer result = myGenericMethod.genericMethod(argument); ``` 编译器通过方法参数的类型和上下文信息来推断类型参数。这种类型推断对于简化代码和提高可读性非常有用。 3. 通配符类型参数：在某些情况下，我们可能希望泛型方法能够接受不特定类型的参数。这时可以使用通配符作为类型参数。 - 无限制通配符（Unbounded wildcard）：使用问号（?）表示，可以接受任意类型的参数。 ```java // 泛型方法接受任意类型的参数 void myGenericMethod(List list) { // 方法体 } ``` - 有限制通配符（Bounded wildcard）：使用 extends 关键字指定上界或者使用 super 关键字指定下界，限制了泛型方法接受的参数类型范围。 ```java // 泛型方法接受 Number 及其子类的参数 void myGenericMethod(List list) { // 方法体 } // 泛型方法接受 Integer 及其父类的参数 void myGenericMethod(List list) { // 方法体 } ``` 需要注意的是，调用泛型方法时，编译器会根据传递的参数类型和上下文进行类型检查。如果类型不匹配，将产生编译错误。 ## 三、泛型接口和通配符 ### 泛型接口 ##### 定义泛型接口的语法和使用方法泛型接口是具有泛型类型参数的接口。通过使用泛型接口，我们可以在接口级别上使用类型参数，使得实现类能够处理不同类型的数据，并提高代码的灵活性和复用性。以下是定义泛型接口的一般语法： ```java public interface InterfaceName { // 接口方法和常量声明 } ``` 在上面的语法中，`` 表示类型参数的占位符，可以是任意标识符（通常使用单个大写字母）。`T` 可以在接口方法、常量和内部类中使用。下面是一个简单的示例，展示了如何定义和使用泛型接口： ```java public interface Box { void add(T item); T get(); } // 实现泛型接口 public class IntegerBox implements Box { private Integer item; public void add(Integer item) { this.item = item; } public Integer get() { return item; } } // 使用泛型接口 Box box = new IntegerBox(); box.add(10); Integer value = box.get(); ``` 在上面的示例中，我们定义了一个名为 `Box` 的泛型接口。它包含了一个 `add` 方法和一个 `get` 方法，分别用于添加和获取泛型类型的数据。然后，我们实现了这个泛型接口的一个具体类 `IntegerBox`，并在其中指定了具体的类型参数为 `Integer`。最后，我们使用泛型接口创建了一个 `Box` 类型的对象，通过 `add` 方法添加整数值，并通过 `get` 方法获取整数值。需要注意的是，实现泛型接口时可以选择具体地指定类型参数，也可以继续使用泛型。 ##### 实现泛型接口的方式 1. 具体类型参数实现：在实现类中显式指定具体的类型参数。这将使实现类只能处理特定类型的数据。 ```java public class IntegerBox implements Box { private Integer item; public void add(Integer item) { this.item = item; } public Integer get() { return item; } } ``` 在上面的示例中，`IntegerBox` 类实现了泛型接口 `Box`，并明确指定了类型参数为 `Integer`。因此，`IntegerBox` 类只能处理整数类型的数据。 2. 保留泛型类型参数：在实现类中继续使用泛型类型参数。这将使实现类具有与泛型接口相同的类型参数，从而保持灵活性。 ```java public class GenericBox implements Box { private T item; public void add(T item) { this.item = item; } public T get() { return item; } } ``` 在上面的示例中，`GenericBox` 类实现了泛型接口 `Box`，并保留了类型参数 `T`。这意味着 `GenericBox` 类可以处理任意类型的数据，具有更大的灵活性。使用以上两种方式中的一种，您可以根据需要选择实现泛型接口的方式。具体取决于实现类在处理数据时需要限定特定类型还是保持灵活性。另外，无论使用哪种方式来实现泛型接口，都需要确保实现类中的方法签名与泛型接口中定义的方法完全匹配。这包括方法名称、参数列表和返回类型。 ### 通配符 ##### 上界通配符和下界通配符的概念 **上界通配符（Upper Bounded Wildcard）** 上界通配符用于限制泛型类型参数必须是指定类型或指定类型的子类。使用 `extends` 关键字指定上界。语法： ```java ``` 例如，假设我们有一个泛型方法 `printList`，它接受一个列表，并打印列表中的元素。但我们希望该方法只能接受 Number 类型或其子类的列表，可以使用上界通配符来实现： ```java public static void printList(List list) { for (Number element : list) { System.out.println(element); } } // 调用示例 List integerList = Arrays.asList(1, 2, 3); printList(integerList); // 可以正常调用 List stringList = Arrays.asList("Hello", "World"); printList(stringList); // 编译错误，String 不是 Number 的子类 ``` 在上面的示例中，`printList` 方法使用 `` 定义了一个上界通配符，表示方法接受一个 Number 类型或其子类的列表。因此，我们可以传递一个 Integer 类型的列表作为参数，但不能传递一个 String 类型的列表。 **下界通配符（Lower Bounded Wildcard）** 下界通配符用于限制泛型类型参数必须是指定类型或指定类型的父类。使用 `super` 关键字指定下界。语法： ```java ``` 例如，假设我们有一个泛型方法 `addToList`，它接受一个列表和一个要添加到列表中的元素。但我们希望该方法只能接受 Object 类型或其父类的元素，可以使用下界通配符来实现： ```java public static void addToList(List list, Object element) { list.add(element); } // 调用示例 List