普通的类和方法只能使用特定的类型:基本数据类型或类类型。
如果编写的代码需要应用于多种类型,这种严苛的限制对代码的束缚就会很大。




多态是一种面向对象思想的泛化机制。可以将方法的参数类型设为基类,这样的方法就可以接受任何派生类作为参数,包括暂时还不存在的类。
这样的方法更通用,应用范围更广。在类内部也是如此,在任何使用特定类型的地方,基类意味着更大的灵活性。
除了 ​​final​​ 类(或只提供私有构造函数的类)任何类型都可被扩展,所以大部分时候这种灵活性是自带的。



接口可以突破继承体系的限制
单一的继承体系太过局限,因为只有继承体系中的对象才能适用基类作为参数的方法中。如果方法以接口而不是类作为参数,限制就宽松多了,只要实现了接口就可以。这给予调用方一种选项,通过调整现有的类来实现接口,满足方法参数要求。



接口的限制
一旦指定了接口,它就要求你的代码必须使用特定的接口。而我们希望编写更通用的代码,能够适用“非特定的类型”,而不是一个具体的接口或类。



这就是泛型的概念,是 Java 5 的重大变化。泛型实现了​参数化类型​,这样你编写的组件(比如集合)可以适用于多种类型。“泛型”这个术语的含义是“适用于很多类型”。

编程语言中泛型出现的初衷是​通过解耦类或方法与所使用的类型之间的约束,使得类或方法具备最宽泛的表达力​。

随后你会发现 Java 中泛型的实现并没有那么“泛”,你可能会质疑“泛型”这个词是否合适用来描述这一功能。

实例化一个类型参数时,编译器会负责转型并确保类型的正确性。使用别人创建好的泛型相对容易,但是创建自己的泛型时,就会遇到很多意料之外的麻烦。

在很多情况下,它可以使代码更直接更优雅。不过,如果你见识过那种实现了更纯粹的泛型的编程语言,那么,Java 可能会令你失望。

本章会介绍 Java 泛型的优点与局限。我会解释 Java 的泛型是如何发展成现在这样的,希望能够帮助你更有效地使用这个特性。[^1]

1 与 C++ 的比较

Java 的设计者曾说过,这门语言的灵感主要来自 C++ 。尽管如此,学习 Java 时基本不用参考 C++ 。

但是,Java 中的泛型需要与 C++ 进行对比,理由有两个

1.1 理解 C++ ​模板

泛型的主要灵感来源,包括基本语法的某些特性,有助于理解泛型的基础理念。

同时可以理解


  • Java 泛型的局限是什么
  • 为什么会有这些局限
  • 最终明确 Java 泛型的边界

只有知道了某个技术不能做什么,你才能更好地做到所能做的(​不必浪费时间在死胡同​)。

1.2 误解 C++ 模板

在 Java 社区中,大家普遍对 C++ 模板有一种误解,而这种误解可能会令你在理解泛型的意图时产生偏差。

因此,本章中会介绍少量 C++ 模板的例子,仅当它们确实可以加深理解时才会引入。

2 简单泛型

促成泛型出现的最主要的动机之一是创建​集合类​:几乎所有程序在运行过程中都会涉及到一组对象

持有单个对象的类

明确指定其持有的对象的类型

彻底讲清 Java 的泛型(上)_元组

可复用性不高,无法持有其他类型的对象。不希望为碰到的每个类型都编写一个新的类。

Java 5 前,可以让这个类

直接持有 ​​Object​​ 对象

  • 一个 ​​ObjectHolder​​​ 先后持有了三种不同类型的对象:
    彻底讲清 Java 的泛型(上)_泛型_02

现在,​​ObjectHolder​​ 可以持有任何类型的对象

通常只会用集合存储同一种类型的对象​。

​泛型的主要目的之一:约定集合要存储什么类型对象,并且通过编译器保证​

因此与其使用 ​​Object​​ ,我们更希望先指定一个类型占位符,稍后决定具体使用什么类型。

要达到这个目的,需要使用​类型参数​,用尖括号括住,放在类名后面。

然后在使用类时,再用实际类型替换此类型参数。

在下面的例子中,​​T​​ 就是类型参数:

彻底讲清 Java 的泛型(上)_java_03

创建 ​​GenericHolder​​ 对象时,必须指明要持有的对象的类型,置于尖括号

然后,就只能在 ​​GenericHolder​​ 中存储该类型(或其子类,多态与泛型不冲突)的对象。

当你调用 ​​get()​​ 取值时,直接就是正确的类型。

这就是​​Java 泛型的核心概念:你只需告诉编译器要使用什么类型,剩下的细节交给它来处理。​

​h3​​​ 的定义非常繁复。在 ​​=​​​ 左边有 ​​GenericHolder<Automobile>​​, 右边又重复了一次。在 Java 5 中,这种写法被解释成“必要的”,Java 7 修正了这个问题。

一般来说,你可以认为泛型和其他类型差不多,只不过它们碰巧有类型参数。

在使用泛型时,只需要指定它们的名称和类型参数列表。

3 一个元组类库

有时一个方法需要能返回多个对象。而 ​return​ 语句只能返回单个对象,解决方法就是创建一个对象,用它打包想要返回的多个对象。

当然,可以在每次需要的时候,专门创建一个类来完成这样的工作。

有了泛型,我们就可以一劳永逸。同时,还获得了编译时的类型安全。

这称为

元组

将一组对象直接打包存储于单一对象中。可以从该对象读取其中的元素,但不允许向其中存储新对象(这个概念也称为 ​数据传输对象​ 或 ​信使​ )。

元组可以具有任意长度,元组中对象可以不同类型。

不过,我们希望能够为每个对象指明类型,并且从元组中读取出来时,能够得到正确的类型。

要处理不同长度的问题,我们需要创建多个不同的元组。

下面是一个可以存储两个对象的元组:

彻底讲清 Java 的泛型(上)_java_04

构造函数传入要存储的对象。这个元组隐式地保持了其中元素的次序。

初次阅读你可能认为这违反了 Java 编程的封装原则:​​a1​​ 和 ​​a2​​ 应该声明为 ​private​,然后提供 ​​getFirst()​​ 和 ​​getSecond()​​ 取值方法

这样做能提供的“安全性”:元组的使用程序可以读取 ​​a1​​ 和 ​​a2​​ 对它们执行任何操作,但无法对 ​​a1​​ 和 ​​a2​​ 重新赋值。​​final​​ 可以实现同样效果,更简洁。

  • 而这里是另一种设计思路:
    允许用户给 ​​​a1​​​ 和 ​​a2​​​ 重新赋值。然而更加安全,如果用户想存储不同的元素,就会强制他们创建新的 ​​Tuple2​​ 对象。

我们可以利用继承机制实现长度更长的元组。添加更多的类型参数:

彻底讲清 Java 的泛型(上)_泛型_05

演示需要,再定义两个类:

// generics/Amphibian.java
public class Amphibian {}

// generics/Vehicle.java
public class Vehicle {}

使用元组时,只需要定义一个长度适合的元组,将其作为返回值即可

彻底讲清 Java 的泛型(上)_java_06

有了泛型很容易地创建元组,令其返回一组任意类型的对象。

通过 ​​ttsi.a1 = "there"​​ 语句的报错,我们可以看出,​final​ 声明确实可以确保 ​public​ 字段在对象被构造出来之后就不能重新赋值了。

​new​​ 表达式有些啰嗦。

泛型方法 简化元组

使用类型参数推断和静态导入,把早期的元组重写为更通用的库。

重载静态方法创建元组:

彻底讲清 Java 的泛型(上)_泛型_07

我们修改 ​TupleTest.java​ 来测试 ​Tuple.java​ :

彻底讲清 Java 的泛型(上)_java_08

​f()​​ 返回参数化 ​Tuple2​, ​​f2()​​ 返回未参数化的 ​Tuple2​。编译器不会在这里警告 ​​f2()​​ ,因为返回值未以参数化方式使用。从某种意义上说,它被“向上转型”为一个未参数化的 ​Tuple2​ 。 但是,如果尝试将 ​​f2()​​ 的结果放入到参数化的 ​Tuple2​ 中,则编译器将发出警告。