Java 泛型
目录
什么是泛型
泛型的语法
泛型类的使用
类型推导
裸类型
泛型的上界
泛型方法
通配符
无界通配符
上界通配符
下界通配符
泛型是如何编译的
擦除机制
什么是泛型
泛型 是在 JDK 1.5 引入的新语法，是 Java 中的一个特性，在定义类、接口或方法时，使用类型参数来提高代码的灵活性和可重用性。通过泛型，可以在编写代码时不指定具体的类型，而是在使用时再指定，从而实现更通用的代码
例如：
需要实现一个 Box 类，类中包含一个数组成员 contents，contents 中存放数据的类型可以自行定义，可以通过方法获得数组中某个下标的值
我们可以想到：所有类的父类，都默认为 Object，那么，是否可以用 Object 来实现？
public class Box {private Object[] contents = new Object[20];public void setContent(int pos, Object content) {if (pos < 0 || pos > contents.length) {throw new RuntimeException("下标越界");}contents[pos] = content;}public Object getContent(int pos) {if (pos < 0 || pos > contents.length) {throw new RuntimeException("下标越界");}return contents[pos];}
}尝试存放数据：
public class Test {public static void main(String[] args) {Box box = new Box();box.setContent(0, "abc");box.setContent(1, 20);}
}
由于 setContent 方法中，传递的元素数据类型为 Object，因此，数组中可以存放任意类型的数据
当我们获得数组中某个下标的值时，需要进行强制类型转换：
public class Test {public static void main(String[] args) {Box box = new Box();box.setContent(0, "abc");box.setContent(1, 20);String str = (String) box.getContent(0);String str2 = (String) box.getContent(1);}
}若存放的元素类型与转换的类型不匹配时，就会抛出异常
因此，我们需要知道每个下标所存放的元素类型
在这种情况下，即使数组中存放的都是同一种类型的数据，但在取出元素时都需要进行强转
且数组可以存放任意类型的数据，但在更多情况下，我们希望其能够只存储一种数据类型，而不是同时存储多种数据类型
此时，我们就可以使用泛型，将我们需要的类型进行传递，指定当前容器需要持有什么类型的对象，让编译器去做检查
接下来，我们就来学习泛型的语法
泛型的语法
泛型类的定义：
class 泛型类名<类型形参列表> {
}
例如：
class Box<T> {
}类名后面的 <T> 代表占位符，表示当前类是一个泛型类
T 代表了类型参数，表示未知类型，通常使用一个大写字母表示
在泛型类中，可以定义多个类型参数作为占位符：
public class Pair<K, V> {
}其中，K 和 V 是两个不同的占位符，分布表示键和值的类型
在 Java 中，类型参数一般使用一个大写字母表示，且常用的名称有：
T：表示类型（Type）
E：表示元素（Element），常用于集合类
K 和 V：表示键（Key）和 值（Value），常用于映射（Map）
其中，类型参数不能为基本数据类型（如 int、char 等），可以使用其对应的包装类（如 Integer、Character 等）
我们对 Box 类进行改写：
但是，当我们创建 T 类型数组时：
类型参数 T 不能直接实例化，也就是说，不能 new 泛型类型的数组
这是为什么呢？
关于这个问题，我们先不解决，在后面 类型擦除 时，再进行理解
我们仍然创建 Object 类型的数组，在传递元素类型时，传递 T 类型的数据，在获取指定下标元素时，返回 T 类型的数据
public class Box<T> {private Object[] contents = new Object[20];public void setContent(int pos, T content) {if (pos < 0 || pos > contents.length) {throw new RuntimeException("下标越界");}contents[pos] = content;}public T getContent(int pos) {if (pos < 0 || pos > contents.length) {throw new RuntimeException("下标越界");}return (T) contents[pos];}
}泛型类创建好了，接下来，我们就来学习如何使用
泛型类的使用
要使用泛型类，我们首先需要实例化一个泛型类对象：
泛型类<类型实参> 变量名 = new 泛型类<类型实参>(构造方法实参);
相比于普通的类，泛型类需要传递类型实参
public class Test {public static void main(String[] args) {Box<String> box = new Box<String>();}
}new Box<String>() 中的实参类型可以省略：
public class Test {public static void main(String[] args) {Box<String> box = new Box<>();}
}这是因为编译器可以根据上下文进行类型推导
类型推导
类型推导（Type Inference）是指编译器根据上下文推断出泛型参数的具体类型。类型推导使得Java代码更简洁，减少了重复的类型参数声明，同时保持了类型安全性
Box<String> box = new Box<>(); // 可以推导出实例化需要的类型为 String
当我们未传递类型参数时，也不会报错：
Box box = new Box();
Box 是泛型类但并没有带类型实参，此时的 Box 是一个裸类型
裸类型
裸类型（Raw Type）是指没有指定类型参数的泛型类或接口。使用裸类型时，编译器不会进行类型检查，因此可能会导致类型安全问题
裸类型是为了兼容老版本的 API 保留的机制，其风险在于编译器无法检查类型的一致性，这也就可能会导致运行时错误
例如：
public class Test {public static void main(String[] args) {// 使用裸类型Box box = new Box(); // 警告：使用裸类型box.setContent(0, "Hello");box.setContent(1, 123); // 允许的，但可能会导致问题// 不安全的类型转换String str = (String) box.getContent(1); // 运行时可能抛出 ClassCastException}
}因此，我们应该尽量避免使用裸类型
泛型的上界
在定义泛型类时，有时需要对传入的类型变量做一定的约束，此时，可以通过类型边界来约束
类型边界，也就是泛型的上界，可以确保泛型类型参数是某个类或接口的子类或实现类
通过关键字 extends 来指定上界：
class 泛型类名称<类型形参 extends 类型边界> {
}
例如：
public class Box<T extends Number> {}Box 只接受 Number 的子类作为 T 的类型实参
此时传递 String 类型，就会编译出错
使用上界，可以确保类型参数是某个类的子类，从而避免类型不匹配的问题
而当泛型的上界为接口时，表示传入的类型必须是实现了该接口的：
public class Box<T extends Comparable<T>> {
}T 必须是实现了 Comparable 接口的
而在前面我们没有指定类型边界时，可看做 E extends Object
泛型方法
在方法中使用泛型类型参数，这使得方法可以处理不同类型的数据，而不需要进行强制类型转换
访问修饰符 <类型形参列表> 返回值类型 方法名称(形参列表) {
}
例如：
public class MyArray {// 泛型方法public static <T> void printArray(T[] array) {for (T element : array) {System.out.println(element);}}
}当使用静态的泛型方法时，需要在 static 后面用 <> 声明泛型类型参数
泛型方法也可以有多个类型参数：
public class Pair<K, V> {private K key;private V value;public Pair(K key, V value) {this.key = key;this.value = value;}public K getKey() {return key;}public V getValue() {return value;}// 泛型方法，返回 Pair 的字符串表示public static <K, V> String displayPair(Pair<K, V> pair) {return "Key: " + pair.getKey() + ", Value: " + pair.getValue();}}
通配符
? 在泛型中表示通配符
通配符是一种特殊的类型参数，表示一个不确定的类型
无界通配符
无界通配符使用 ? 表示，表示可以接受任何类型，常用于方法参数中：
public void printList(List<?> list) {for (Object element : list) {System.out.println(element);}
}
上界通配符
上界通配符使用 ? extends T 表示，表示可以接受 T 的子类或 T 本身，常用于需要读取数据但不修改数据的情况：
public void processAnimals(List<? extends Animal> animals) {for (Animal animal : animals) {animal.makeSound(); // 只读取 Animal 类型}
}在使用上界通配符时，可以安全地读取数据，因为集合中的元素是 T 类型或其子类，因此，我们可以调用 T 的方法
但我们只知道集合中的元素类型是 T 的某个子类，无法确定其具体的类型，因此，无法向集合中添加元素：
List<? extends Animal> animals = new ArrayList<Dog>();
animals.add(new Cat()); // 编译错误在上述例子中，animals 可以是 Dog 类型的列表，也可以是 Cat 类型的列表，若我们允许添加 Cat，就会破坏 List<Dog> 的类型，导致类型不一致
下界通配符
下界通配符使用 ? super T 表示，表示可以接受 T 的超类或 T 本身，常用于需要向集合中添加数据的情况：
List<? super Dog> animals = new ArrayList<Animal>();
animals.add(new Dog());
在使用下界通配符时，我们可以安全的添加类型为 T 及其子类的对象，因为集合中的元素类型是 T 的超类或 T 本身，因此，可以确保我们添加的数据是合法的
但是，由于我们只知道集合中的元素类型是 T 的超类，无法确定实际的元素类型，由于可能会存在多种不同的超类，因此，无法安全地将读取到的元素强制转换为 T 或其子类
List<? super Dog> animals = new ArrayList<Animal>();
Animal animal = animals.get(0); // 编译错误，因为我们不知道具体类型
泛型是如何编译的
我们查看 Box 的字节码文件：
可以看到，所有的 T 都是 Object 类型的
在编译过程中，将所有的T替换为 Object 这种机制，我们称为：擦除机制
擦除机制
在Java中，类型擦除是指在编译期间，泛型类型的信息被移除的过程。这意味着在运行时，Java虚拟机（JVM）只知道原始类型，而不保留泛型类型参数的信息。这种机制确保了Java的兼容性，同时允许泛型代码与旧版本的Java代码一起工作。
当编译器遇到泛型类型时，会进行以下操作：
（1）替换类型参数： 将泛型类型参数替换为其边界类型或 Object（如果没有边界）
（2）添加强制类型转换：在需要时添加类型转换，以确保类型安全
例如，存在泛型类：
public class Box<T> {private T item;public void setItem(T item) {this.item = item;}public T getItem() {return item;}
}在编译时，编译器会生成与以下非泛型类等效的代码：
public class Box {private Object item;public void setItem(Object item) {this.item = item;}public Object getItem() {return item;}
}正是由于擦除机制的存在，因此不能创建泛型类型的实例，如 new T()，因为 Java 的泛型实现依赖于类型擦除。在编译时，泛型类型参数（如 T）会被替换为其边界类型（如 Object），这意味着在运行时，JVM并不知道 T 是什么类型。因此，无法创建一个特定类型的实例
上述不能 new 泛型类型的数组也是由于擦除机制的存在，编译时，泛型类型会被替换为它们的原始类型。这意味着在运行时，所有的泛型信息都被丢失。因此，如果允许创建泛型数组，就会导致运行时类型不安全
那么，能否这样写呢？
private T[] contents = (T[]) new Object[20];
也是不能的
因为在进行类型擦除时，意味着 T 的实际类型信息在运行时是不可用的。因此，直接将 Object 数组转换为 T 类型数组可能会导致类型安全问题，例如，在 contents 中存放了不符合 T 类型的对象，在读取时就会抛出 ClassCastException
这行代码也会触发 unchecked cast 警告：
因为编译器无法保证 Object[] 中的元素能被安全地视为 T[]
那么，我们就是想要创建 T 类型的数组，该如何实现呢？
可以通过反射创建指定类型的数组：
public class Box<T extends Student> {private T[] contents = null;public Box(Class<T> c, int capacity) {contents = (T[]) Array.newInstance(c, capacity);}
}