Java泛型的重要目的:别让猫别站在狗队里

《Java编程思想》第四版足足用了75页来讲泛型——厚厚的一沓内容,很容易让人头大——但其实根本不用这么多,只需要一句话:我是一个泛型队列,狗可以站进来,猫也可以站进来,但最好不要既站猫,又站狗!

01、泛型是什么

泛型,有人拆解这个词为“参数化类型”。这种拆解其实也不好理解,还是按照沉默王二的意思来理解一下吧。

现在有一只玻璃杯,你可以让它盛一杯白开水,也可以盛一杯二锅头——泛型的概念就在于此,制造这只杯子的时候没必要在说明书上定义死,指明它只能盛白开水而不能盛二锅头!

可以在说明书上指明它用来盛装液体,但最好也不要这样,弄不好用户想用它来盛几块冰糖呢!

这么一说,你是不是感觉不那么抽象了?泛型其实就是在定义类、接口、方法的时候不局限地指定某一种特定类型,而让类、接口、方法的调用者来决定具体使用哪一种类型的参数。

就好比,玻璃杯的制造者说,我不知道使用者用这只玻璃杯来干嘛,所以我只负责造这么一只杯子;玻璃杯的使用者说,这就对了,我来决定这只玻璃杯是盛白开水还是二锅头,或者冰糖。

02、什么时候用泛型

我们来看一段简短的代码:

public class Cmower {

    class Dog {
    }

    class Cat {
    }

    public static void main(String[] args) {
        Cmower cmower = new Cmower();
        Map map = new HashMap();
        map.put("dog", cmower.new Dog());
        map.put("cat", cmower.new Cat());

        Cat cat = (Cat) map.get("dog");
        System.out.println(cat);
    }

}

这段代码的意思是:我们在map中放了一只狗(Dog),又放了一只猫(Cat),当我们想从map中取出猫的时候,却一不留神把狗取了出来。

这段代码编译是没有问题的,但运行的时候就会报ClassCastException(狗毕竟不是猫啊):

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: com.cmower.java_demo.sixteen.Cmower$Dog cannot be cast to com.cmower.java_demo.sixteen.Cmower$Cat
    at com.cmower.java_demo.sixteen.Cmower.main(Cmower.java:20)

为什么会这样呢?

1)写代码的程序员粗心大意。要从map中把猫取出来,你不能取狗啊!

2)创建map的时候,没有明确指定map中要放的类型。如果指定是要放猫,那肯定取的时候就是猫,不会取出来狗;如果指定是要放狗,也一个道理。

第一种情况不太好解决,总不能把程序员打一顿(我可不想做一个天天背锅的程序员,很重的好不好);第二种情况就比较容易解决,因为Map支持泛型(泛型接口)。

public interface Map {
}

注:在Java中,经常用T、E、K、V等形式的参数来表示泛型参数。

T:代表一般的任何类。
E:代表 Element 的意思,或者 Exception 异常的意思。
K:代表 Key 的意思。
V:代表 Value 的意思,通常与 K 一起配合使用。

既然Map支持泛型,那作为Map的实现者HashMap(泛型类)也支持泛型了。

public class HashMap extends AbstractMap
    implements Map, Cloneable, Serializable {
    
}

其中的put方法(泛型方法)是这样定义的:

public V put(K key, V value) {
  return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

好了,现在使用泛型的形式来定义一个只能放Cat的Map吧!

public class Cmower {

    class Dog {
    }

    class Cat {
    }

    public static void main(String[] args) {
        Cmower cmower = new Cmower();
        Map map = new HashMap<>();
//        map.put("dog", cmower.new Dog()); // 不再允许添加
        map.put("cat", cmower.new Cat());

        Cat cat = map.get("cat");
        System.out.println(cat);
    }
}

当使用泛型定义map(键为String类型,值为Cat类型)后:

1)编译器就不再允许你向map中添加狗的对象了。

2)当你从map中取出猫的时候,也不再需要强制转型了。

03、类型擦除

有人说,Java的泛型做的只是表面功夫——泛型信息存在于编译阶段(狗队在编译时不允许站猫),运行阶段就消失了(运行时的队列里没有猫的信息,连狗的信息也没有)——这种现象被称为“类型擦除”。

来,看代码解释一下:

public class Cmower {

    class Dog {
    }

    class Cat {
    }

    public static void main(String[] args) {
        Cmower cmower = new Cmower();
        Map map = new HashMap<>();
        Map map1 = new HashMap<>();
        
        // The method put(String, Cmower.Cat) in the type Map is not applicable for the arguments (String, Cmower.Dog)
        //map.put("dog",cmower.new Dog());
        
        System.out.println(map.getClass());
        // 输出:class java.util.HashMap
        System.out.println(map1.getClass());
        // 输出:class java.util.HashMap
    }

}

map的键位上是Cat,所以不允许put一只Dog;否则编译器会提醒The method put(String, Cmower.Cat) in the type Map is not applicable for the arguments (String, Cmower.Dog)。编译器做得不错,值得点赞。

但是问题就来了,map的Class类型为HashMap,map1的Class类型也为HashMap——也就是说,Java代码在运行的时候并不知道map的键位上放的是Cat,map1的键位上放的是Dog。

那么,试着想一些可怕的事情:既然运行时泛型的信息被擦除了,而反射机制是在运行时确定类型信息的,那么利用反射机制,是不是就能够在键位为Cat的Map上放一只Dog呢?

我们不妨来试一试:

public class Cmower {

    class Dog {
    }

    class Cat {
    }

    public static void main(String[] args) {
        Cmower cmower = new Cmower();
        Map map = new HashMap<>();
        
        try {
            Method method = map.getClass().getDeclaredMethod("put",Object.class, Object.class);
            
            method.invoke(map,"dog", cmower.new Dog());
            
            System.out.println(map);
            // {dog=com.cmower.java_demo.sixteen.Cmower$Dog@55f96302}
        } catch (NoSuchMethodException | SecurityException | IllegalAccessException | IllegalArgumentException | InvocationTargetException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

看到没?我们竟然在键位为Cat的Map上放了一只Dog!

注:Java的设计者在JDK 1.5时才引入了泛型,但为了照顾以前设计上的缺陷,同时兼容非泛型的代码,不得不做出了一个折中的策略:编译时对泛型要求严格,运行时却把泛型擦除了——要兼容以前的版本,还要升级扩展新的功能,真的很不容易!

04、泛型通配符

有些时候,你会见到这样一些代码:

List list = new ArrayList<>();
List list = new ArrayList<>();

?和关键字extends或者super在一起其实就是泛型的高级应用:通配符。

我们来自定义一个泛型类——PetHouse(宠物小屋),它有一些基本的动作(可以住进来一只宠物,也可以放出去):

public class PetHouse {
    private List list;

    public PetHouse() {
    }

    public void add(T item) {
        list.add(item);
    }

    public T get() {
        return list.get(0);
    }
}

如果我们想要住进去一只宠物,可以这样定义小屋(其泛型为Pet):

PetHouse petHouse = new PetHouse<>();

然后,我们让小猫和小狗住进去:

petHouse.add(new Cat());
petHouse.add(new Dog());

如果我们只想要住进去一只小猫,打算这样定义小屋:

PetHouse petHouse = new PetHouse();

但事实上,编译器不允许我们这样定义:因为泛型不直接支持向上转型。该怎么办呢?

可以这样定义小屋:

PetHouse petHouse = new PetHouse();

也就是说,宠物小屋可以住进去小猫,但它必须是宠物(Pet或者Pet的子类)而不是一只野猫。

但很遗憾,这个宠物小屋实际上住不了小猫,看下图。

这是因为Java虽然支持泛型的向上转型(使用 extends 通配符),但我们却无法向其中添加任何东西——编译器并不知道宠物小屋里要住的是小猫还是小狗,或者其他宠物,因此干脆什么都不让住。

看到这,你一定非常疑惑,既然PetHouse定义的宠物小屋什么也不让住,那为什么还要这样定义呢?思考一下。

05、读者将军的总结

泛型限定符有一描述:上界不存下界不取。

上界不存的原因:例如 List,编译器只知道容器内是 Father 及其子类,具体是什么类型并不知道,编译器在看到 extends 后面的 Father 类,只是标上一个 CAP#1 作为占位符,无论往里面插什么,编译器都不知道能不能和 CAP#1 匹配,所以就不允许插入。

extends的作用:可以在初始化的时候存入一个值,并且能保证数据的稳定性,只能取不能存。读取出来的数据可以存在父类或者基类里。

下界不取的原因:下界限定了元素的最小粒度,实际上是放松了容器元素的类型控制。例如 List, 元素是 Father 的基类,可以存入 Father 及其子类。但编译器并不知道哪个是 Father 的超类,如 Human。读取的时候,自然不知道是什么类型,只能返回 Object,这样元素信息就全部丢失了。

super的作用:用于参数类型限定。

PECS 原则:

1.频繁往外读取内容的,适合用extends
2.经常往里插入的,适合用super


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