Java中泛型詳解,非常詳細

来源:https://www.cnblogs.com/qian-fen/archive/2023/05/31/17445243.html
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在前面的幾篇文章中,詳細地給大家介紹了Java里的集合。但在介紹集合時,我們涉及到了泛型的概念卻並沒有詳細學習,所以今天我們要花點時間給大家專門講解什麼是泛型、泛型的作用、用法、特點等內容 ...


前言

在前面的幾篇文章中,詳細地給大家介紹了Java里的集合。但在介紹集合時,我們涉及到了泛型的概念卻並沒有詳細學習,所以今天我們要花點時間給大家專門講解什麼是泛型、泛型的作用、用法、特點等內容。

有些粉絲朋友,在之前就一直很好奇,比如List< String >中的 < String > 部分到底是什麼?有啥用?為什麼要加這個< >?這一部分有沒有什麼特別的用法?總之,你的疑問可能會有很多,別急,今天就帶你一點點認識Java里的泛型!


全文大約【6000】 字,不說廢話,只講可以讓你學到技術、明白原理的純乾貨!本文帶有豐富的案例及配圖視頻,讓你更好地理解和運用文中的技術概念,並可以給你帶來具有足夠啟迪的思考...

一. 泛型簡介

作為Java中常用且重要的一個概念,泛型幫我們實現了代碼重用,也保證了類型安全。但關於它的詳細內容,目前很多同學還不清楚,所以接下來就帶各位來學習這個重要的知識點。

1. 背景

為了能夠讓大家更好地理解泛型的作用,在我們開始學習泛型之前,先給大家提個開發需求:

我們現在有一個需求,要求你編寫一個對數組進行排序的方法,該方法能夠對浮點型數組、整型數組、字元串數組或者是其他任何類型的數組進行排序,你該如何實現?

有的小伙伴會說,這很簡單啊,我可以利用方法重載,針對每種類型的數組分別編寫一個排序方法,需要為幾種類型的數組排序,我就定義幾個排序方法。如果你是這麼實現的,只能哈哈哈了,這種做法明顯不好,代碼可重用性太差

又有的小伙伴說了,可以定義一個方法,裡面設置一個Object[]類型的參數,這樣無論是哪種類型都可以處理了。這樣定義方法,比上面那個同學的想法要稍好一點,但此時我們需要在Object類型和整型、String類型或其他類型之間進行強制類型轉換。所以這樣做就無法保證集合中元素的類型安全,稍一不慎就可能會導致 ClassCastException類型轉換異常

so,這也不行,那也不行,到底該怎麼辦?這不,為瞭解決這些問題,所以Java中就產生了泛型這個技術。

2. 概念

泛型(generics) 這個技術是在JDK 5中引入的新特性,它的本質其實是類型參數化, 利用泛型可以實現一套代碼對多種數據類型的動態處理,保證了更好的代碼重用性。並且泛型還提供了編譯時對類型安全進行檢測的機制,該機制允許我們在編譯時就能夠檢測出非法的類型, 提高了代碼的安全性

這種特性,使得泛型成了一種 “代碼模板” ,讓我們利用一套代碼就能實現對各種類型的套用。也就是說,我們只需要編寫一次代碼,就可以實現萬能匹配,這也是”泛型“這個概念的含義,你可以將其理解為”廣泛的類型“、”非特定的類型“。咱們上面的那個需求,利用泛型就能輕鬆實現,還不需要進行類型的強制轉換,並且也保證了數據的類型安全。

3. 作用

所以根據上面泛型的概念,我們可以提取出泛型的核心作用:

  • 泛型可以在編譯時對類型進行安全檢測,使得所有的強制轉換都是自動隱式實現的,保證了類型的安全性;
  • 泛型作為”代碼模板“,實現了 一套代碼對各種類型的套用, 提高了代碼的可重用性。

4. 使用場景

基於泛型的這些特性和作用,我們可以把泛型用在很多地方,在這裡給大家做了一個總結,通常情況下,泛型可以用在如下場景中:

  • 泛型集合:在各種集合中使用泛型,保證集合中元素的類型安全;
  • 泛型方法:在各種方法中使用泛型,保證方法中參數的類型安全;
  • 泛型類:在類的定義時使用泛型,為某些變數和方法定義通用的類型;
  • 泛型介面:在介面定義時使用泛型,為某些常量和方法定義通用的類型;
  • 泛型加反射:泛型也可以結合反射技術,實現在運行時獲取傳入的實際參數等功能。

但是我們要註意,無論我們在哪個地方使用泛型,泛型都不能是基本類型, 關於這一點,我會在講解泛型擦除時再細說。

總之,泛型的應用場景有很多,以上只是給大家總結的幾個重點使用場景,接下來就這幾個場景分別給大家進行講解。

5. 配套視頻

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二. 泛型集合

1. 簡介

泛型最常見的一個用途,就是在集合中對數據元素的類型進行限定。集合作為一個容器,主要是用來容納保存數據元素的,但集合的設計者並不知道我們會用集合來保存什麼類型的對象,所以他們就把集合設計成能保存任何類型的對象。這就要求集合具有很好的通用性,內部可以裝載各種類型的數據元素。集合之所以可以實現這一功能,主要是集合的源碼中已經結合泛型做了相關的設計,我們來看看Collection的源碼,如下圖所示:

image.png

而Collection的子類List中也增加了對泛型的支持,如下圖所示:

image.png

上面的源碼中,集合中的< E >就是泛型,至於泛型的名字為什麼叫做”E“,後面再跟大家細說。但不管如何,從這些源碼中我們就可以看出,Java的集合本身就支持泛型了。我們先不管集合底層是如何設計的,咱們先從基本用法開始學起。

2. 語法

在集合中使用泛型其實比較簡單,我們以List集合為例,其基本語法如下:

//可以省略後面ArrayList里的String,編譯器可以自動根據前面<>里的類型,推斷出後面<>里使用的泛型類型
List<String> list = new ArrayList<>();

上面的語法,其含義是說我們定義了一個ArrayList集合,但該集合不能隨便添加數據元素,只能添加String類型的元素。也就是說,在上面的語法中,我們通過泛型,限定了ArrayList集合的元素類型。當我們定義List集合時,如果已經限定了泛型類型,但後面添加元素時你非得違背這個類型,Java就會在編譯階段報錯,如下圖所示:

image.png

我們在定義集合時,可以省略後面ArrayList里的String,編譯器可以自動根據前面< >里的類型,推斷出後面< >里使用的泛型類型。另外Set和Map集合的用法,與List集合類似,我們可以通過下麵這個案例來體會一下集合泛型的魅力。

3. 代碼案例

在本案例中,我們可以給List、Set、Map等集合設置泛型,從而限定集合中數據元素的類型。

import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.HashSet;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.Set;

public class Demo01 {
	public static void main(String[] args) {
		//定義集合泛型
		//此時的集合只能接受String類型元素,後面ArrayList<>中的<>,裡面的String可寫可不寫
		List<String> list = new ArrayList<>();
		//如果類型不一致,在編譯階段就會檢測出有錯誤,保證了數據的安全性
		//list.add(100);
		list.add("Hello");
		String strValue = list.get(0);
		System.out.println("list value="+strValue);
		
		Set<Integer> set=new HashSet<>();
		//set.add("hello");
		set.add(200);
		Iterator<Integer> iterator = set.iterator();
		while(iterator.hasNext()) {
			Integer nextValue = iterator.next();
			System.out.println("set value="+nextValue);
		}
		
		//限定Map集合的key是String類型,value是Long類型
		Map<String,Long> map=new HashMap<>();
		//map.put("number", "10000");
		map.put("number", 10000L);
		Long value = map.get("number");
		System.out.println("map value="+value);
	}
}

在這個案例中,我們在集合中通過泛型限定了集合元素的數據類型。如果元素的類型與要求的不一致,在編譯階段就會檢測出有錯誤,不需要進入到運行階段才能發現類型不一致。而且我們 在獲取集合中的元素時,也不需要進行強制類型轉換,程式會自動進行隱式轉換, 這就保證了數據的安全性,也提高了代碼的執行效率。

另外我們所使用的泛型參數,也被稱為類型變數,是用於指定泛型類型名稱的標識符。我們可以根據需要,在集合、類、介面、方法等地方定義一個或多個泛型參數,這些泛型化的類型參數也被稱為參數化的類或參數化的類型。

4. 配套視頻

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三. 泛型介面

我們除了可以在集合中使用泛型,還可以在定義介面時使用泛型,這也是泛型的常用形式之一。

1. 語法

在定義介面時使用泛型的基本語法格式如下:

//在介面名稱後面緊跟泛型<>
public interface InterfaceName<T> {
    // 介面的方法定義
}

//可以同時定義多個泛型,多個泛型用","逗號分割
public interface InterfaceName2<M,N> {
    // 介面的方法定義
}

大家註意,這裡泛型的名稱T/M/N,其實是我們隨意寫的,我們並不一定非要使用T,也可以使用M、N、E等任意名稱。而之所以使用T,只是採用了Type類型這個單詞的首字母而已。雖然如此,但我們在實際開發時,為了儘量做到見名知意,請大家還是要儘量採用有意義的名稱,通常會使用如下幾個常用字母:

  • E - Element(表示集合元素,常在集合中使用);
  • T - Type(表示Java類,常用在類和介面中);
  • K - Key(表示鍵);
  • V - Value(表示值);
  • N - Number(表示數值類型);
  • - 表示不確定的Java類型。

另外,這裡的T只是一種類型參數,你可以把它理解成是一個”錶面的占位符“。在真正賦值時,它可以用任何實際的類型來替代,如Integer、String、自定義類型等。並且我們在定義介面時,可以根據實際需要,同時定義多個泛型,多個泛型之間用","逗號分割。而在實際使用時,我們需要在該介面名的後面加上一對尖括弧,用來傳入實際的類型。

2. 代碼案例

2.1 定義泛型介面

接下來我們再通過一個案例來學習一下介面泛型如何使用,這裡我們定義一個泛型介面ICompute,內部定義了一個用於計算的方法,如下所示:


public interface ICompute<M,N> {

	//定義一個加法計算的方法
	M add(M m,N n);
}

2.2 實現泛型介面

接下來我們把這個介面進行實現,代碼如下:

public class Demo02 {
	public static void main(String[] args) {
		//這裡壹哥直接利用匿名內部類的寫法進行實現,大家也可以編寫一個類實現ICompute介面
		//我這裡傳入了兩個Integer類型的具體參數,分別取代M和N
		ICompute<Integer, Integer> iCompute = new ICompute<Integer, Integer>() {
			@Override
			public Integer add(Integer m, Integer n) {
				return m+n;
			}
		};
		
		//調用上面實現的方法
		Integer result = iCompute.add(100, 200);
		System.out.println("result="+result);
	}
}

這裡直接利用匿名內部類的寫法進行實現,大家也可以編寫一個類實現ICompute介面。我這裡傳入了兩個Integer類型的具體參數,分別取代M和N,當然我們也可以根據需要,在實現時傳入Float/Double等其他類型。

3. 配套視頻

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四. 泛型類

其實Java的類和介面在很多地方都很類似,所以我們在定義介面時可以使用泛型,也可以在定義類時使用泛型,泛型類常用於類中的屬性類型不確定的情況下,這也是泛型的常用形式之一。

1. 語法

其實泛型類的聲明和普通類的聲明類似,只是在類名後面多添加了一個關於泛型的聲明。並且泛型類的類型參數部分,可以包含一個或多個類型參數,多個參數間用逗號隔開。一般我們在定義泛型類時,需要在類名後添加類型參數,語法格式與泛型介面一致,如下所示:

public class ClassName<T> {
    // 類的成員變數和方法定義
}

泛型類的要求和泛型介面完全一樣,這裡就不再贅述了。

2. 代碼案例

2.1 定義泛型類

接下來定義一個泛型類Pair,它包含兩個類型相同的成員變數:

public class Pair<T> {

	//我們可以直接把泛型當成一個java的“類型”來用,Java類怎麼用,泛型就可以怎麼用
	//直接利用泛型來定義成員變數
	private T first;
    private T second;

    //構造方法中使用泛型
    public Pair(T first, T second) {
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    //方法中使用泛型
    public T getFirst() {
        return first;
    }

    public T getSecond() {
        return second;
    }
}

在上述代碼中,我們定義了一個泛型類Pair,它有兩個類型相同的成員變數first和second,以及一個構造函數和兩個訪問成員變數的方法。在定義Pair類時,我們使用了類型參數T來代表類型,而在實例化該泛型類時,需要指明泛型類中的類型參數,並賦予泛型類屬性相應類型的值,比如指定T是String/Integer/Student/Person等任意類型。

2.2 使用泛型類

接下來是使用Pair類的具體代碼:


public class Demo03 {
	public static void main(String[] args) {
		//調用泛型類
		Pair<String> pair = new Pair<>("Hello", "World");
		// 輸出 "Hello"
		System.out.println("first="+pair.getFirst()); 
		// 輸出 "World"
		System.out.println("last="+pair.getSecond()); 
	}
}

在上述代碼中,我們使用了Pair類,並將類型參數指定為String類型。然後我們創建了一個Pair對象,並通過getFirstgetSecond方法訪問了成員變數。

3. 配套視頻

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五. 繼承泛型類和實現泛型介面

在Java中,泛型不僅可以用於類、方法的定義,還可以用於類和介面的繼承與實現。接下來就給大家詳細介紹一下,該如何繼承泛型類和實現泛型介面。

1. 簡介

大家要註意,一個被定義為泛型的類和介面,也可以被子類繼承和實現。例如下麵的示例代碼,就給大家演示瞭如何繼承一個泛型類。

public class FatherClass<T1>{}

public class SonClass<T1,T2,T3> extents FatherClass<T1>{}

但是如果我們想要SonClass類在繼承FatherClass類時,能夠保留父類的泛型類型,則需要在繼承時就指定。否則直接使用extends FatherClass語句進行繼承操作時,T1、T2 和 T3都會自動變為Object類型,所以一般情況下都是將父類的泛型類型保留。

接下來會分別給大家介紹一下如何繼承泛型類和實現泛型介面。

2. 繼承泛型類

2.1 定義泛型父類

在Java中,我們可以通過繼承一個泛型類來實現泛型的重用。子類可以繼承父類中定義的泛型類型,並根據自己的需要,增加、修改泛型類型的參數,從而實現泛型類的個性化定製。下麵是一個泛型類的示例:

public class GenericClass<T1> {

	private T1 data;

	public GenericClass(T1 data) {
		this.data = data;
	}

	public T1 getData() {
		return data;
	}
}

2.2 泛型子類繼承父類

我們可以通過繼承GenericClass類,來創建一個新的泛型類SonGenericClass,並增加新的泛型類型:

public class SonGenericClass<T1,T2> extends GenericClass<T1>{

	private T2 otherData;
    
    public SonGenericClass(T1 data, T2 otherData) {
        super(data);
        this.otherData = otherData;
    }
    
    public T2 getOtherData() {
        return otherData;
    }
}

在上面的示例中,SonGenericClass類繼承了GenericClass類,並增加了一個新的泛型類型T2。在構造方法中,調用父類的構造方法,並傳入T1類型的數據,然後再將T2類型的數據賦值給類的成員變數otherData。通過這種方式,我們可以創建一個具有更多泛型參數的類,並且保留了原始泛型類的特性。我們來看看最終的測試結果:

public class Demo08 {

	public static void main(String[] args) {
		SonGenericClass<Integer,String> son=new SonGenericClass<>(100, "hello");
        //子類從父類中繼承來的泛型
		Integer data = son.getData();
		String otherData = son.getOtherData();
		System.out.println("t1---data="+data+",t2---data="+otherData);
	}
}

這樣,子類通過繼承父類,也自動獲得了父類中的泛型。

3. 實現泛型介面

3.1 定義泛型介面

類似於繼承泛型類,我們也可以通過實現泛型介面,來定義具有多個泛型參數的介面。實現泛型介面的過程與實現普通介面的過程相同,我們只需要在介面名後面添加 < T > 這樣的泛型參數聲明即可。下麵是一個泛型介面的示例:

public interface GenericInterface<T1> {
	
	public void doSomething(T1 data);
}

3.2 兩種實現方式

我們在實現泛型介面時,可以採用兩種實現方式:

  1. 指定具體類型:就是在實現介面時,明確指定泛型參數的具體類型;
  2. 保留泛型參數:在實現介面時,不明確指定泛型參數的具體類型,而是保留泛型參數。

如果是通過指定具體類型的方式進行實現,一般形式如下:

public class StringPair implements Pair<String> {
    .....
}

在這種方式中,我們定義了一個Pair介面,然後讓子類StringPair進行實現,但在實現時就明確指定了具體的泛型參數為String。這樣,我們在使用StringPair對象時,就明確知道了類內部的數據類型。

如果是通過保留泛型參數的方式進行實現,一般形式如下:

public class NumberPair<T extends 父類型> implements Pair<T> {
    ......
}

在這種方式中,我們定義了一個泛型介面Pair< T >,然後定義一個實現字類NumberPair,可以在實現時保留泛型參數。

3.3 實現泛型介面

接下來,我們再編寫一個SubGenericInterface類,並通過保留泛型參數的方式,來實現GenericInterface介面,並增加一個新的泛型類型T2,代碼如下:

public class SubGenericClass<T1,T2> implements GenericInterface<T1>{

	private T2 otherData;
	
	@Override
	public void doSomething(T1 data) {
		System.out.println("t1="+data);
	}
    
    public SubGenericClass(T2 otherData) {
        this.otherData = otherData;
    }
    
    public T2 getOtherData() {
        return otherData;
    }

}

這樣泛型子類就實現了泛型父類,併在子類中增加了一個新的泛型,最終的結果如下所示:

public class Demo09 {

	public static void main(String[] args) {
		SubGenericClass<Integer,String> sub=new SubGenericClass<>("hello");
		sub.doSomething(100);
		String otherData = sub.getOtherData();
		System.out.println("t2---data="+otherData);
	}
}

其實,實現泛型介面和繼承泛型類都很簡單,我們只需要在類定義中使用相同的泛型類型參數,然後實現介面的方法或覆蓋超類的方法即可。

以上就是關於泛型的概念、作用、泛型介面、泛型類等相關的內容,其實泛型的內容還有很多,比如泛型方法、泛型擦除和泛型中的通配符等。但受限於篇幅,會在下一篇文章中繼續給大家講解這些內容,敬請繼續關註哦。


五. 結語

至此,在本文中就把泛型的概念、作用、泛型介面和泛型類給大家介紹完了,本文重點內容如下:

  • 泛型是一種類型參數,可以編寫模板代碼來適應任意類型;
  • 泛型在使用時不必對類型進行強制轉換,它可以通過編譯器在編譯階段對類型進行檢查;
  • 使用泛型時可以把泛型參數< T >替換成想要的class類型,例如 ArrayList< String> ArrayList< Number >等;
  • 編譯器可以根據前面的泛型,在後面自動推斷出類型,例如List< String > list = new ArrayList<>();
  • 如果我們在使用時不指定泛型參數類型時,編譯器會給出警告,且只能將 < T >視為Object類型;
  • 我們可以在介面和類中定義泛型類型,實現此介面的類必須傳入正確的泛型類型;
  • 我們可以同時定義多個泛型,例如 Map<K, V>
  • 可以繼承泛型類和實現泛型介面。


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