教妹學(xué) Java：晦澀難懂的泛型

Crazy_Coder 發(fā)布于2019-05-23 17:34 / 3684人閱讀

摘要：首先，我們來(lái)按照泛型的標(biāo)準(zhǔn)重新設(shè)計(jì)一下類。注意參數(shù)為而不是泛型。利用形式的通配符，可以實(shí)現(xiàn)泛型的向上轉(zhuǎn)型，來(lái)看例子。需要注意的是，無(wú)法從這樣類型的中取出數(shù)據(jù)。

00、故事的起源

“二哥，要不我上大學(xué)的時(shí)候也學(xué)習(xí)編程吧？”有一天，三妹突發(fā)奇想地問(wèn)我。

“你確定要做一名程序媛嗎？”

“我覺(jué)得女生做程序員，有著天大的優(yōu)勢(shì)，尤其是我這種長(zhǎng)相甜美的。”三妹開始認(rèn)真了起來(lái)。

“好像是啊，遇到女生提問(wèn)，我好像一直蠻熱情的。”

“二哥，你不是愛(ài)好寫作嘛，還是一個(gè) Java 程序員，不妨寫個(gè)專欄，名字就叫《教妹學(xué) Java》。我高考完就開始跟著你學(xué)習(xí)編程，還能省下一筆培訓(xùn)費(fèi)。”三妹看起來(lái)已經(jīng)替我籌劃好了呀。

“真的很服氣你們零零后，蠻有想法的。剛好我最近在寫 Java 系列的專欄，不妨試一試！”

PS：親愛(ài)的讀者朋友們，我們今天就從晦澀難懂的“泛型”開始吧！（子標(biāo)題是三妹提出來(lái)的，內(nèi)容由二哥我來(lái)回答）

01、二哥，為什么要設(shè)計(jì)泛型啊？

三妹啊，聽哥慢慢給你講啊。

Java 在 5.0 時(shí)增加了泛型機(jī)制，據(jù)說(shuō)專家們?yōu)榇嘶ㄙM(fèi)了 5 年左右的時(shí)間（聽起來(lái)很不容易）。有了泛型之后，尤其是對(duì)集合類的使用，就變得更規(guī)范了。

看下面這段簡(jiǎn)單的代碼。

ArrayList list = new ArrayList();
list.add("沉默王二");
String str = list.get(0);

但在沒(méi)有泛型之前該怎么辦呢？

首先，我們需要使用 Object 數(shù)組來(lái)設(shè)計(jì) Arraylist 類。

class Arraylist {
    private Object[] objs;
    private int i = 0;
    public void add(Object obj) {
        objs[i++] = obj;
    }
    
    public Object get(int i) {
        return objs[i];
    }
}

然后，我們向 Arraylist 中存取數(shù)據(jù)。

Arraylist list = new Arraylist();
list.add("沉默王二");
list.add(new Date());
String str = (String)list.get(0);

你有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：

Arraylist 可以存放任何類型的數(shù)據(jù)（既可以存字符串，也可以混入日期），因?yàn)樗蓄惗祭^承自 Object 類。

從 Arraylist 取出數(shù)據(jù)的時(shí)候需要強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，因?yàn)榫幾g器并不能確定你取的是字符串還是日期。

對(duì)比一下，你就能明顯地感受到泛型的優(yōu)秀之處：使用類型參數(shù)解決了元素的不確定性——參數(shù)類型為 String 的集合中是不允許存放其他類型元素的，取出數(shù)據(jù)的時(shí)候也不需要強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換了。

02、二哥，怎么設(shè)計(jì)泛型啊？

三妹啊，你一個(gè)小白只要會(huì)用泛型就行了，還想設(shè)計(jì)泛型啊？！不過(guò)，既然你想了解，那么哥義不容辭。

首先，我們來(lái)按照泛型的標(biāo)準(zhǔn)重新設(shè)計(jì)一下 Arraylist 類。

class Arraylist<E> {
    private Object[] elementData;
    private int size = 0;

    public Arraylist(int initialCapacity) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }
    
    public boolean add(E e) {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    
    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }
}

一個(gè)泛型類就是具有一個(gè)或多個(gè)類型變量的類。Arraylist 類引入的類型變量為 E（Element，元素的首字母），使用尖括號(hào) <> 括起來(lái)，放在類名的后面。

然后，我們可以用具體的類型（比如字符串）替換類型變量來(lái)實(shí)例化泛型類。

Arraylist list = new Arraylist();
list.add("沉默王三");
String str = list.get(0);

Date 類型也可以的。

Arraylist list = new Arraylist();
list.add(new Date());
Date date = list.get(0);

其次，我們還可以在一個(gè)非泛型的類（或者泛型類）中定義泛型方法。

class Arraylist<E> {
    public  T[] toArray(T[] a) {
        return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
    }
}

不過(guò)，說(shuō)實(shí)話，泛型方法的定義看起來(lái)略顯晦澀。來(lái)一副圖吧（注意：方法返回類型和方法參數(shù)類型至少需要一個(gè)）。

現(xiàn)在，我們來(lái)調(diào)用一下泛型方法。

Arraylist list = new Arraylist<>(4);
list.add("沉");
list.add("默");
list.add("王");
list.add("二");

String [] strs = new String [4];
strs = list.toArray(strs);

for (String str : strs) {
    System.out.println(str);
}

最后，我們?cè)賮?lái)說(shuō)說(shuō)泛型變量的限定符 extends。在解釋這個(gè)限定符之前，我們假設(shè)有三個(gè)類，它們之間的定義是這樣的。

class Wanglaoer {
    public String toString() {
        return "王老二";
    }
}

class Wanger extends Wanglaoer{
    public String toString() {
        return "王二";
    }
}

class Wangxiaoer extends Wanger{
    public String toString() {
        return "王小二";
    }
}

我們使用限定符 extends 來(lái)重新設(shè)計(jì)一下 Arraylist 類。

class Arraylist<E extends Wanger> {
}

當(dāng)我們向 Arraylist 中添加 Wanglaoer 元素的時(shí)候，編譯器會(huì)提示錯(cuò)誤：Arraylist 只允許添加 Wanger 及其子類 Wangxiaoer 對(duì)象，不允許添加其父類 Wanglaoer。

Arraylist list = new Arraylist<>(3);
list.add(new Wanger());
list.add(new Wanglaoer());
// The method add(Wanger) in the type Arraylist is not applicable for the arguments 
// (Wanglaoer)
list.add(new Wangxiaoer());

也就是說(shuō)，限定符 extends 可以縮小泛型的類型范圍。

03、二哥，聽說(shuō)虛擬機(jī)沒(méi)有泛型？

三妹，你功課做得可以啊，連虛擬機(jī)都知道了啊。哥可以肯定地回答你，虛擬機(jī)是沒(méi)有泛型的。

啰嗦一句哈。我們編寫的 Java 代碼（也就是源碼，后綴為 .java 的文件）是不能夠被操作系統(tǒng)直接識(shí)別的，需要先編譯，生成 .class 文件（也就是字節(jié)碼文件）。然后 Java 虛擬機(jī)（JVM）會(huì)充當(dāng)一個(gè)翻譯官的角色，把字節(jié)碼翻譯給操作系統(tǒng)能聽得懂的語(yǔ)言，告訴它該干嘛。

怎么確定虛擬機(jī)沒(méi)有泛型呢？我們需要把泛型類的字節(jié)碼進(jìn)行反編譯——強(qiáng)烈推薦超神反編譯工具 Jad ！

現(xiàn)在，在命令行中敲以下代碼吧（反編譯 Arraylist 的字節(jié)碼文件 Arraylist.class）。

jad Arraylist.class

命令執(zhí)行完后，會(huì)生成一個(gè) Arraylist.jad 的文件，用文本編輯工具打開后的結(jié)果如下。

// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3) 
// Source File Name:   Arraylist.java

package com.cmower.java_demo.fanxing;

import java.util.Arrays;

class Arraylist
{

    public Arraylist(int initialCapacity)
    {
        size = 0;
        elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    public boolean add(Object e)
    {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    Object elementData(int index)
    {
        return elementData[index];
    }

    private Object elementData[];
    private int size;
}

類型變量消失了，取而代之的是 Object ！

既然如此，那如果泛型類使用了限定符 extends，結(jié)果會(huì)怎么樣呢？我們先來(lái)看看 Arraylist2 的源碼。

class Arraylist2<E extends Wanger> {
    private Object[] elementData;
    private int size = 0;

    public Arraylist2(int initialCapacity) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    public boolean add(E e) {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }
}

字節(jié)碼文件 Arraylist2.class 使用 Jad 反編譯后的結(jié)果如下。

// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3) 
// Source File Name:   Arraylist2.java

package com.cmower.java_demo.fanxing;


// Referenced classes of package com.cmower.java_demo.fanxing:
//            Wanger

class Arraylist2
{

    public Arraylist2(int initialCapacity)
    {
        size = 0;
        elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    public boolean add(Wanger e)
    {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    Wanger elementData(int index)
    {
        return (Wanger)elementData[index];
    }

    private Object elementData[];
    private int size;
}

類型變量不見了，E 被替換成了 Wanger。

通過(guò)以上兩個(gè)例子說(shuō)明，Java 虛擬機(jī)會(huì)將泛型的類型變量擦除，并替換為限定類型（沒(méi)有限定的話，就用 Object）。

04、二哥，類型擦除會(huì)有什么問(wèn)題嗎？

三妹啊，你還別說(shuō)，類型擦除真的會(huì)有一些“問(wèn)題”。

我們來(lái)看一下這段代碼。

public class Cmower {
    
    public static void method(Arraylist list) {
        System.out.println("Arraylist list");
    }

    public static void method(Arraylist list) {
        System.out.println("Arraylist list");
    }

}

在淺層的意識(shí)上，我們會(huì)想當(dāng)然地認(rèn)為 Arraylist list 和 Arraylist list 是兩種不同的類型，因?yàn)?String 和 Date 是不同的類。

但由于類型擦除的原因，以上代碼是不會(huì)通過(guò)編譯的——編譯器會(huì)提示一個(gè)錯(cuò)誤（這正是類型擦除引發(fā)的那些“問(wèn)題”）：

Erasure of method method(Arraylist) is the same as another method in type Cmower

大致的意思就是，這兩個(gè)方法的參數(shù)類型在擦除后是相同的。

也就是說(shuō)，method(Arraylist list) 和 method(Arraylist list) 是同一種參數(shù)類型的方法，不能同時(shí)存在。類型變量 String 和 Date 在擦除后會(huì)自動(dòng)消失，method 方法的實(shí)際參數(shù)是 Arraylist list。

有句俗話叫做：“百聞不如一見”，但即使見到了也未必為真——泛型的擦除問(wèn)題就可以很好地佐證這個(gè)觀點(diǎn)。

05、二哥，聽說(shuō)泛型還有通配符？

三妹啊，哥突然覺(jué)得你很適合作一枚可愛(ài)的程序媛啊！你這預(yù)習(xí)的功課做得可真到家啊，連通配符都知道！

通配符使用英文的問(wèn)號(hào)（");extends 限定子類，也可以使用關(guān)鍵字 super 限定父類。

為了更好地解釋通配符，我們需要對(duì) Arraylist 進(jìn)行一些改進(jìn)。

class Arraylist<E> {
    private Object[] elementData;
    private int size = 0;

    public Arraylist(int initialCapacity) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    public boolean add(E e) {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    public E get(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }
    
    public int indexOf(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int i = 0; i < size; i++)
                if (elementData[i]==null)
                    return i;
        } else {
            for (int i = 0; i < size; i++)
                if (o.equals(elementData[i]))
                    return i;
        }
        return -1;
    }
    
    public boolean contains(Object o) {
        return indexOf(o) >= 0;
    }
    
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        
        for (Object o : elementData) {
            if (o != null) {
                E e = (E)o;
                sb.append(e.toString());
                sb.append(",").append(" ");
            }
        }
        return sb.toString();
    }

    public int size() {
        return size;
    }
    
    public E set(int index, E element) {
        E oldValue = (E) elementData[index];
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }
}

1）新增 indexOf(Object o) 方法，判斷元素在 Arraylist 中的位置。注意參數(shù)為 Object 而不是泛型 E。

2）新增 contains(Object o) 方法，判斷元素是否在 Arraylist 中。注意參數(shù)為 Object 而不是泛型 E。

3）新增 toString() 方法，方便對(duì) Arraylist 進(jìn)行打印。

4）新增 set(int index, E element) 方法，方便對(duì) Arraylist 元素的更改。

你知道，Arraylist list = new Arraylist(); 這樣的語(yǔ)句是無(wú)法通過(guò)編譯的，盡管 Wangxiaoer 是 Wanger 的子類。但如果我們確實(shí)需要這種 “向上轉(zhuǎn)型” 的關(guān)系，該怎么辦呢？這時(shí)候就需要通配符來(lái)發(fā)揮作用了。

利用 <"); 形式的通配符，可以實(shí)現(xiàn)泛型的向上轉(zhuǎn)型，來(lái)看例子。

Arraylist<");new Arraylist<>(4); list2.add(null); // list2.add(new Wanger()); // list2.add(new Wangxiaoer()); Wanger w2 = list2.get(0); // Wangxiaoer w3 = list2.get(1);
list2 的類型是 Arraylist<");，翻譯一下就是，list2 是一個(gè) Arraylist，其類型是 Wanger 及其子類。

注意，“關(guān)鍵”來(lái)了！list2 并不允許通過(guò) add(E e) 方法向其添加 Wanger 或者 Wangxiaoer 的對(duì)象，唯一例外的是 null。為什么不能存呢？原因還有待探究（苦澀）。

那就奇了怪了，既然不讓存放元素，那要 Arraylist<"); 這樣的 list2 有什么用呢？

雖然不能通過(guò) add(E e) 方法往 list2 中添加元素，但可以給它賦值。

Arraylist list = new Arraylist<>(4); Wanger wanger = new Wanger(); list.add(wanger); Wangxiaoer wangxiaoer = new Wangxiaoer(); list.add(wangxiaoer); Arraylist<");1); System.out.println(w2); System.out.println(list2.indexOf(wanger)); System.out.println(list2.contains(new Wangxiaoer()));
Arraylist<"); 語(yǔ)句把 list 的值賦予了 list2，此時(shí) list2 == list。由于 list2 不允許往其添加其他元素，所以此時(shí)它是安全的——我們可以從容地對(duì) list2 進(jìn)行 get()、indexOf() 和 contains()。想一想，如果可以向 list2 添加元素的話，這 3 個(gè)方法反而變得不太安全，它們的值可能就會(huì)變。

利用 <"); 形式的通配符，可以向 Arraylist 中存入父類是 Wanger 的元素，來(lái)看例子。

Arraylist<");super Wanger> list3 = new Arraylist<>(4); list3.add(new Wanger()); list3.add(new Wangxiaoer()); // Wanger w3 = list3.get(0);
需要注意的是，無(wú)法從 Arraylist<"); 這樣類型的 list3 中取出數(shù)據(jù)。為什么不能取呢？原因還有待探究（再次苦澀）。

雖然原因有待探究，但結(jié)論是明確的：<"); 可以取數(shù)據(jù)，<"); 可以存數(shù)據(jù)。那么利用這一點(diǎn)，我們就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)組的拷貝——<"); 作為源（保證源不會(huì)發(fā)生變化），<"); 作為目標(biāo)（可以保存值）。

public class Collections { public static void copy(Arraylist<");super T> dest, Arraylist<"); { for (int i = 0; i < src.size(); i++) dest.set(i, src.get(i)); } }
06、故事的未完待續(xù)
“二哥，你今天苦澀了啊！嘿嘿。竟然還有你需要探究的。”三妹開始調(diào)皮了起來(lái)。

“......”

“不要不好意思嘛，等三妹啥時(shí)候探究出來(lái)了原因，三妹給你講，好不好？”三妹越說(shuō)越來(lái)勁了。

“......”

“二哥，你還在想泛型通配符的原因啊！那三妹先去預(yù)習(xí)下個(gè)知識(shí)點(diǎn)了啊，你思考完了，再給我講！”三妹看著我陷入了沉思，扔下這句話走了。

“......”

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