Java泛型

我是 javapub，一名 Markdown 程序员从👨‍💻，八股文种子选手。

<font color=blue>面试官</font>：小伙子,说实话,泛型这个机制一开始我也是一头雾水,搞不太明白它到底要解决什么问题。你能不能不那么书呆子,给我普普通通地讲一讲泛型?

<font color=red>候选人：</font> 好嘞,我们来聊聊泛型。首先,泛型要解决的最主要的问题就是类型不安全。比如说,你有一个箱子,可以装任何东西:

public class Box {
    private Object obj;
    
    public void set(Object obj) {
        this.obj = obj;
    }
    
    public Object get() {
        return obj;
    }
}

然后你用它装了一个苹果:

Box b = new Box();
b.set(new Apple());

但是当你取出来的时候,是一个水果啊,你不知道是苹果还是香蕉,需要强转类型:

Apple a = (Apple) b.get();  // 强转,可能出现ClassCastException

这就是类型不安全,一旦强转错了类型,程序就GG了。

泛型来了之后,情况就不一样了。我们可以这样定义箱子:

public class Box<T> {  // <T>就是类型参数
    private T obj;
    
    public void set(T obj) {
        this.obj = obj;
    }
    
    public T get() {
        return obj;
    }
}

然后在用的时候,指定T的实际类型,比如:

Box<Apple> b = new Box<Apple>(); 
b.set(new Apple());
Apple a = b.get();  // 不需要强转,类型安全!

所以泛型最大的好处就是让代码类型安全,不再需要强制类型转换,避免ClassCastException异常,让代码更健壮。它把类型检查的工作从运行时提前到了编译时。

<font color=blue>面试官</font>：哇,原来如此!讲解的真的很通俗易懂,我都明白了!那泛型中最容易搞混的两个概念是什么?

<font color=blue>面试官</font>：最容易搞混的两个概念,应该是类型参数和实际类型参数吧?

<font color=red>候选人：</font> 对的,这两个概念容易混淆。我们再举个例子:

public class Box<T> {   // <T>就是类型参数
    private T obj;
}

Box<Apple> b = new Box<>();   // Apple就是实际类型参数

类型参数T是在定义泛型类Box时使用的,代表一个未知的类型。我们不知道使用者会替换成什么类型,所以用T表示。

而实际类型参数Apple是在实例化Box时实际替换类型参数T的类型。它给T一个明确的类型,用于这次实例化。

所以类型参数是个未知的类型占位符,实际类型参数是替换类型参数的具体类型。理解了这两个概念的区别,泛型的很多地方就不会再混淆了。

<font color=blue>面试官</font>：说的太好了,我都不好意思问你其他的了!那最后两点疑问,1)为啥泛型类不能有静态方法?2)类型擦除是干嘛的?

<font color=red>候选人：</font> 好的,两个很好的疑问:

1)泛型类不能有静态方法的原因是因为静态方法在类加载的时候就被创建,而泛型类在实例化的时候才能确定类型参数的实际类型。这时候静态方法已经创建完了,无法使用这个实际类型,所以编译器不允许这么做。

2)类型擦除就是编译器删除所有与类型参数相关的信息,并替换为上限(通常是Object类型)的过程。因为Java在1.5之前并没有泛型的概念,所以编译器会把所有的泛型类型全部擦除掉,在运行时期间不会存在任何泛型类型的参数信息。这也是为什么泛型类不能有基本类型的参数的原因。

类型擦除有利有弊,好处是可以在1.5之前的VM上运行泛型代码,坏处是导致些许运行期间的效率损失,因为擦除后所有的类型参数都被替换为Object类型。不过这点性能损失在大部分情况下可以忽略。

<font color=blue>面试官</font>：太棒了,你的解释简直让人眼前一亮!真的学到很多,谢谢你的精彩讲解!

<font color=red>候选人：</font> 谢谢面试官的夸奖,我也在这个过程中对泛型有了更深的理解,非常高兴能与你进行这次交流与探讨。

<font color=blue>面试官</font>：在聊了泛型这么多后,还有些细节想问一下:

1. 泛型中<?>和<? extends T>分别代表什么含义?

<font color=red>候选人：</font> <?>代表一个未知类型的通配符,可以用在类型参数的位置,表示接受任何类型。比如:

public void print(Box<?> box) {
    ...
}

这个方法可以传递任何类型的Box进来,因为<?>可以匹配任何类型。

而<? extends T>表示从T类型到其子类型之间的某种类型,它代表的上界类型可能是T,也可能是T的子类型。比如:

public void print(Box<? extends Fruit> box) {
    ...
}

这个方法可以传递Box<Apple>或者Box<Orange>进来,因为Apple和Orange都是Fruit的子类。但不能传Box<Object>,因为Fruit的子类型不包括Object。

所以<?>表示全类型通配,而<? extends T>表示从T到子类型的范围内的某种类型,具有上界的语义。

2. 泛型方法和泛型类有什么区别?

泛型方法是在普通类中定义带类型参数的方法,而泛型类是在定义类本身时指定类型参数。比如:

泛型方法:

public class Box {
    public <T> void print(T t) {
        ...
    }
} 

泛型类:

public class Box<T> {
    private T t;
    ... 
}

主要区别在于泛型类的类型参数可以用在整个类的方法和属性上,而泛型方法的类型参数只在这个方法内有效。泛型方法更灵活,可以在非泛型类上使用。

除此之外,泛型方法可以有static修饰符,可以在静态方法内使用类型参数。而泛型类不能有静态方法和静态属性,原因和前面说的类型擦除有关。

3. 泛型的上下限是什么?使用场景又是什么?

泛型的上限是<? extends T>,表示从T到子类型的范围;下限是<? super T>,表示从T到父类型的范围。

上限的使用场景是当需要获取T的子类型对象时,比如从集合中取出元素。下限的使用场景是当需要添加T的父类型对象时,比如往集合中添加元素。

Box<? extends Fruit> box1;   // 放入Apple、Orange等
box1.add(new Apple());      // 只能添加Fruit的子类型  

Box<? super Fruit> box2;    // 放入Fruit、Food等 
box2.add(new Food());      // 只能添加Fruit的父类型   

所以上下限主要是为了在广泛限制类型的同时,也允许满足某些使用场景的需要,使得泛型更加灵活实用。

<font color=blue>面试官</font>：泛型真的有些复杂,但你解释的很通俗易懂,我都差不多明白了。最后两个小问题:

1. 泛型中的边界是干嘛的?

边界是对类型参数指定的约束,目的是限制类型参数能被替换的实际类型。比如,我们可以这样定义一个泛型方法:

public <T extends Number> void print(T t) {
    System.out.println(t.intValue());
}

这里我们指定T必须是Number或其子类型,如果调用时用String类型替换T,则会编译错误,因为String不符合约束。

边界有两种形式:

• 类名或者接口名,例如T extends Number,表示T必须是Number类型或其子类
• 另一个类型参数,例如<T, S extends T>,表示S必须是T或其子类型 所以边界的作用就是限制类型参数可以替换的实际类型,确保在方法中可以正常使用某些操作,避免因为替换错误类型导致的运行错误。

2. 泛型中通配符<?>和无边界的<?>有什么区别?

无边界的<?>表示任何类型,它没有任何限制,可以理解为<T>,T可以替换为任何类型。

而<?>通配符有些微的区别,它表示“未知类型”,也没有具体的类型边界,但它只能在“读”的场景使用,不能在“写”的场景使用。因为编译器无法确定它到底是哪种类型。

举个例子:

public void print(Box< ?> box) {  // 读操作,ok
    ...
}

public void add(Box< ?> box, Object o) { // 写操作,编译错误
    box.set(o);  
}

所以无边界的<?>可以出现在读和写的操作中,而<?>通配符只能在读操作场景使用,这是两者的主要区别。通常在像泛型方法的定义中,使用无边界的<?>会更灵活,而在一些读操作的泛型方法中,使用<?>通配符可以更广泛的匹配不同的Box类型。

<font color=blue>面试官</font>：真是一个很细致的区分,我以前也常常搞不清这两者的差别,你的解释让我受益匪浅!谢谢你将这些泛型的概念讲解的如此清晰和深入,我对泛型也有了更全面的认识。真是一个非常愉快的交流过程!

<font color=red>候选人：</font> 非常高兴能帮到您!我自己在准备和回答的过程中,也对泛型有了更深刻的理解,这种问答的形式确实是学习的好方法。谢谢面试官的精彩问题,让这个过程变得非常有价值。我也非常欣赏这次交流,收获颇丰,祝面试官有一个美好的一天!

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