Java泛型

前言

泛型（Generic）是 Java 编程语言的一个强大功能。它们提高了代码的类型安全性，在编译时可以检测到更多的错误。

泛型，即“参数化类型“，将类型由原来的具体的类型参数化，定义成参数形式（类型形参），然后在使用/调用时传入具体的类型（类型实参）。在泛型使用过程中，操作的数据类型被指定为一个参数，这种参数类型可以用在类、接口和方法中，分别被称为泛型类、泛型接口、泛型方法。

泛型类/接口

在类型上参数化的泛型类或接口

//泛型类
class name<T1, T2, ..., Tn> { /* ... */ }
由尖括号(<>)分隔的类型形参部分跟在类名后面
//泛型接口
interface name<T1, T2, ..., Tn> { /* ... */ }

泛型方法

是引入自己的类型形参的方法。这类似于声明泛型类型，但类型形参的范围仅限于声明它的方法。允许使用静态和非静态泛型方法，以及泛型类构造函数。

泛型方法的语法包括类型形参列表，声明在尖括号内，且必须出现在方法的返回类型之前。

1	public <T> 返回类型方法名(){ /* ... */ } <类型形参列表> 必须在返回类型前且不能少

注：若泛型类中声明一个泛型方法，类型形参都是T，此时泛型方法定义的T是一种全新的类型，与泛型类中的T不是同一种类型，泛型类中的T只影响其内部普通方法。

三、限定类型形参

有时你可能希望限制可用作参数化类型中的类型实参的类型。例如，对数字进行操作的方法可能只想接受 Number 或其子类的实例

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public <T extends Comparable> T min(T a, T b){
if(a.compareTo(b)>0) return a;else return b; //确保T实现了Comparable，运算符(>)仅适用于基本类型，如 short，int，double，long，float，byte 和 char。不能使用>来比较对象，需限定类型形参
}

多重边界：一个类型参数可以具有多个限定:

1	<T extends B1 & B2 & B3>

具有多个限定的类型变量是范围中列出的所有类型的子类型。如果范围之一是类，则必须首先指定它。

Class A { /* ... */ } 
interface B { /* ... */ } 
interface C { /* ... */ }
class D <T extends A & B & C> { /* ... */ }

注：限定类型中，只允许有一个类，而且如果有类，这个类必须是限定列表的第一个。

四、泛型中的约束和局限性

无法使用基本类型实例化泛型类型。
无法创建类型形参的实例。
无法声明类型为类型参数的静态字段，静态域或非泛型静态方法里不能引用类型变量。(对象创建时，静态代码执行会先于对象的构造方法，无法获知具体类型)
不能使用参数化类型进行类型转换或使用 instanceof（编译器会擦除泛型的所有类型参数）
无法创建参数化类型的数组。
无法创建，捕获或抛出参数化类型的对象，泛型类不能直接或间接地继承 Throwable/Exception 类
无法重载每个重载的形式参数类型都擦除为相同原始类型的方法。

五、泛型继承规则

给定两种具体类型 A 和 B(例如，Number 和 Integer)，泛型MyClass<A> 与 MyClass<B> 没有任何关系，无论 A 与 B 是否相关。MyClass<A> 和 MyClass<B> 的公共父类是 Object。

通过继承泛型类或实现泛型接口来对其进行子类型化。一个类或接口的类型形参与另一个的类型形参之间的关系由 extends 和 implements 确定。

以 Collections 类为例，ArrayList<E> 实现 List<E>，List<E> extends Collection<E>。所以 ArrayList<String> 是 List<String> 的子类型，它是 Collection<String> 的子类型。只要不改变类型实参，就会在类型之间保留子类型关系。

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public interface Collection<E> { /* ... */ } 
public interface List<E> extends Collection<E> { /* ... */ } 
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E> { /* ... */ }

六、通配符类型

在泛型中，通配符(?)问号表示未知类型。通配符一般用于方法中：作为参数、字段或局部变量的类型，有时作为返回类型。通配符从不用作泛型方法调用，泛型类实例创建或超类型的类型实参。

上界通配符

表示类型的上界，类型参数是T的子类或本身主要用于安全地访问数据(get方法，返回类型为T)，可以访问T及其子类型，并且不能写入非null的数据。 ##### 下界通配符表示类型的下界，类型参数是T的超类或本身主要用于安全地写入数据(set方法)，可以写入T及其子类型。 ##### 无界通配符

表示对类型没有什么限制，可以把?看成所有类型的父类，默认实现是<? extends Object>

PECS

方法的参数化类型代表生产者（producer）则使用extends，代表消费者（consumer）则使用super。

只从方法的形参集合获取值使用? extends T，只从方法的形参集合写入值使用? super T

PECS 原则即 Producer Extends，Consumer Super 。如果参数化类型是一个生产者，则使用 <? extends T>；如果它是一个消费者，则使用 <? super T>。生产者表示频繁往外读取数据 T，而不从中添加数据。消费者表示只往里插入数据 T，而不读取数据。

七、虚拟机是如何实现泛型的

类型擦除

泛型被引入到 Java 语言中，以便在编译时提供更严格的类型检查并支持泛型编程。为了实现泛型，Java 编译器将类型擦除应用于：

将泛型类型中的所有类型形参替换为其边界或 Object（如果类型形参是无界的）。因此，生成的字节码仅包含普通的类，接口和方法。
如有必要，插入类型转换以保持类型安全。
生成桥接方法以保留继承泛型类型中的多态性。

类型擦除确保不会为参数化类型创建新类，因此，泛型不会产生运行时开销。由于JDK 5.0开始引入，为兼容之前版本采用类型擦除。

在类型擦除过程中，Java 编译器将擦除所有类型形参，并在类型形参有界时将其替换为第一个边界，如果类型形参无界，则替换为 Object。

类型识别

由于Java泛型的引入，各种场景（虚拟机解析、反射等）下的方法调用都可能对原有的基础产生影响和新的需求，如在泛型类中如何获取传入的参数化类型等。因此，JCP组织对虚拟机规范做出了相应的修改，引入了Signature、LocalVariableTypeTable等新的属性用于解决伴随泛型而来的参数类型的识别问题，Signature是其中最重要的一项属性，它的作用就是存储一个方法在字节码层面的特征签名，这个属性中保存的参数类型并不是原生类型，而是包括了参数化类型的信息。修改后要求所有能识别Class文件的虚拟机都要能正确地识别Signature参数。

另外，从Signature属性的出现我们还可以得出结论，擦除法所谓的擦除，仅仅是对方法的Code属性中的字节码进行擦除，实际上元数据中还是保留了泛型信息，这也是我们能通过反射手段取得参数化类型的根本依据。

总结

Java语言中的泛型，它只在程序源码中存在，在编译后的字节码文件中，就已经替换为原来的原始类型（Raw Type，也称为裸类型）了，并且在相应的地方插入了强制转型代码，因此，对于运行期的Java语言来说，ArrayList＜Integer＞与ArrayList＜String＞就是同一个类，所以泛型技术实际上是Java语言的一颗语法糖，Java语言中的泛型实现方法称为类型擦除，基于这种方法实现的泛型称为伪泛型。

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