Java泛型的重要目的：別讓貓別站在狗隊(duì)里

《Java編程思想》第四版足足用了75頁(yè)來(lái)講泛型——厚厚的一沓內(nèi)容，很容易讓人頭大——但其實(shí)根本不用這么多，只需要一句話：我是一個(gè)泛型隊(duì)列，狗可以站進(jìn)來(lái)，貓也可以站進(jìn)來(lái)，但最好不要既站貓，又站狗！

01、泛型是什么

泛型，有人拆解這個(gè)詞為“參數(shù)化類(lèi)型”。這種拆解其實(shí)也不好理解，還是按照沉默王二的意思來(lái)理解一下吧。

現(xiàn)在有一只玻璃杯，你可以讓它盛一杯白開(kāi)水，也可以盛一杯二鍋頭——泛型的概念就在于此，制造這只杯子的時(shí)候沒(méi)必要在說(shuō)明書(shū)上定義死，指明它只能盛白開(kāi)水而不能盛二鍋頭！

可以在說(shuō)明書(shū)上指明它用來(lái)盛裝液體，但最好也不要這樣，弄不好用戶想用它來(lái)盛幾塊冰糖呢！

這么一說(shuō)，你是不是感覺(jué)不那么抽象了？泛型其實(shí)就是在定義類(lèi)、接口、方法的時(shí)候不局限地指定某一種特定類(lèi)型，而讓類(lèi)、接口、方法的調(diào)用者來(lái)決定具體使用哪一種類(lèi)型的參數(shù)。

就好比，玻璃杯的制造者說(shuō)，我不知道使用者用這只玻璃杯來(lái)干嘛，所以我只負(fù)責(zé)造這么一只杯子；玻璃杯的使用者說(shuō)，這就對(duì)了，我來(lái)決定這只玻璃杯是盛白開(kāi)水還是二鍋頭，或者冰糖。

02、什么時(shí)候用泛型

我們來(lái)看一段簡(jiǎn)短的代碼：

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);
    }

}

這段代碼的意思是：我們?cè)趍ap中放了一只狗（Dog），又放了一只貓（Cat），當(dāng)我們想從map中取出貓的時(shí)候，卻一不留神把狗取了出來(lái)。

這段代碼編譯是沒(méi)有問(wèn)題的，但運(yùn)行的時(shí)候就會(huì)報(bào)ClassCastException（狗畢竟不是貓啊）：

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)

為什么會(huì)這樣呢？

1）寫(xiě)代碼的程序員粗心大意。要從map中把貓取出來(lái)，你不能取狗啊！

2）創(chuàng)建map的時(shí)候，沒(méi)有明確指定map中要放的類(lèi)型。如果指定是要放貓，那肯定取的時(shí)候就是貓，不會(huì)取出來(lái)狗；如果指定是要放狗，也一個(gè)道理。

第一種情況不太好解決，總不能把程序員打一頓（我可不想做一個(gè)天天背鍋的程序員，很重的好不好）；第二種情況就比較容易解決，因?yàn)镸ap支持泛型（泛型接口）。

public interface Map<K,V> {
}

注：在Java中，經(jīng)常用T、E、K、V等形式的參數(shù)來(lái)表示泛型參數(shù)。

T：代表一般的任何類(lèi)。
E：代表 Element 的意思，或者 Exception 異常的意思。
K：代表 Key 的意思。
V：代表 Value 的意思，通常與 K 一起配合使用。

既然Map支持泛型，那作為Map的實(shí)現(xiàn)者HashMap（泛型類(lèi)）也支持泛型了。

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {

}

其中的put方法（泛型方法）是這樣定義的：

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

好了，現(xiàn)在使用泛型的形式來(lái)定義一個(gè)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<String, Cat> map = new HashMap<>();
//      map.put("dog", cmower.new Dog()); // 不再允許添加
        map.put("cat", cmower.new Cat());

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

當(dāng)使用泛型定義map（鍵為String類(lèi)型，值為Cat類(lèi)型）后：

1）編譯器就不再允許你向map中添加狗的對(duì)象了。

2）當(dāng)你從map中取出貓的時(shí)候，也不再需要強(qiáng)制轉(zhuǎn)型了。

03、類(lèi)型擦除

有人說(shuō)，Java的泛型做的只是表面功夫——泛型信息存在于編譯階段（狗隊(duì)在編譯時(shí)不允許站貓），運(yùn)行階段就消失了（運(yùn)行時(shí)的隊(duì)列里沒(méi)有貓的信息，連狗的信息也沒(méi)有）——這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“類(lèi)型擦除”。

來(lái)，看代碼解釋一下：

public class Cmower {

    class Dog {
    }

    class Cat {
    }

    public static void main(String[] args) {
        Cmower cmower = new Cmower();
        Map<String, Cat> map = new HashMap<>();
        Map<String, Dog> map1 = new HashMap<>();

        // The method put(String, Cmower.Cat) in the type Map<String,Cmower.Cat> is not applicable for the arguments (String, Cmower.Dog)
        //map.put("dog",cmower.new Dog());

        System.out.println(map.getClass());
        // 輸出：class java.util.HashMap
        System.out.println(map1.getClass());
        // 輸出：class java.util.HashMap
    }

}

map的鍵位上是Cat，所以不允許put一只Dog；否則編譯器會(huì)提醒The method put(String, Cmower.Cat) in the type Map<String,Cmower.Cat> is not applicable for the arguments (String, Cmower.Dog)。編譯器做得不錯(cuò)，值得點(diǎn)贊。

但是問(wèn)題就來(lái)了，map的Class類(lèi)型為HashMap，map1的Class類(lèi)型也為HashMap——也就是說(shuō)，Java代碼在運(yùn)行的時(shí)候并不知道m(xù)ap的鍵位上放的是Cat，map1的鍵位上放的是Dog。

那么，試著想一些可怕的事情：既然運(yùn)行時(shí)泛型的信息被擦除了，而反射機(jī)制是在運(yùn)行時(shí)確定類(lèi)型信息的，那么利用反射機(jī)制，是不是就能夠在鍵位為Cat的Map上放一只Dog呢？

我們不妨來(lái)試一試：

public class Cmower {

    class Dog {
    }

    class Cat {
    }

    public static void main(String[] args) {
        Cmower cmower = new Cmower();
        Map<String, Cat> 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?jīng)]？我們竟然在鍵位為Cat的Map上放了一只Dog！

注：Java的設(shè)計(jì)者在JDK 1.5時(shí)才引入了泛型，但為了照顧以前設(shè)計(jì)上的缺陷，同時(shí)兼容非泛型的代碼，不得不做出了一個(gè)折中的策略：編譯時(shí)對(duì)泛型要求嚴(yán)格，運(yùn)行時(shí)卻把泛型擦除了——要兼容以前的版本，還要升級(jí)擴(kuò)展新的功能，真的很不容易！

04、泛型通配符

有些時(shí)候，你會(huì)見(jiàn)到這樣一些代碼：

List<? extends Number> list = new ArrayList<>();
List<? super Number> list = new ArrayList<>();

?和關(guān)鍵字extends或者super在一起其實(shí)就是泛型的高級(jí)應(yīng)用：通配符。

我們來(lái)自定義一個(gè)泛型類(lèi)——PetHouse（寵物小屋），它有一些基本的動(dòng)作（可以住進(jìn)來(lái)一只寵物，也可以放出去）：

public class PetHouse<T> {
    private List<T> list;

    public PetHouse() {
    }

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

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

如果我們想要住進(jìn)去一只寵物，可以這樣定義小屋（其泛型為Pet）：

PetHouse<Pet> petHouse = new PetHouse<>();

然后，我們讓小貓和小狗住進(jìn)去：

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

如果我們只想要住進(jìn)去一只小貓，打算這樣定義小屋：

PetHouse<Pet> petHouse = new PetHouse<Cat>();

但事實(shí)上，編譯器不允許我們這樣定義：因?yàn)榉盒筒恢苯又С窒蛏限D(zhuǎn)型。該怎么辦呢？

可以這樣定義小屋：

PetHouse<? extends Pet> petHouse = new PetHouse<Cat>();

也就是說(shuō)，寵物小屋可以住進(jìn)去小貓，但它必須是寵物（Pet或者Pet的子類(lèi)）而不是一只野貓。

但很遺憾，這個(gè)寵物小屋實(shí)際上住不了小貓，看下圖。

這是因?yàn)镴ava雖然支持泛型的向上轉(zhuǎn)型（使用 extends 通配符），但我們卻無(wú)法向其中添加任何東西——編譯器并不知道寵物小屋里要住的是小貓還是小狗，或者其他寵物，因此干脆什么都不讓住。

看到這，你一定非常疑惑，既然PetHouse<? extends Pet>定義的寵物小屋什么也不讓住，那為什么還要這樣定義呢？思考一下。

05、讀者將軍的總結(jié)

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，編譯器只知道容器內(nèi)是 Father 及其子類(lèi)，具體是什么類(lèi)型并不知道，編譯器在看到 extends 后面的 Father 類(lèi)，只是標(biāo)上一個(gè) CAP#1 作為占位符，無(wú)論往里面插什么，編譯器都不知道能不能和 CAP#1 匹配，所以就不允許插入。

extends的作用：可以在初始化的時(shí)候存入一個(gè)值，并且能保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，只能取不能存。讀取出來(lái)的數(shù)據(jù)可以存在父類(lèi)或者基類(lèi)里。

下界不取的原因：下界限定了元素的最小粒度，實(shí)際上是放松了容器元素的類(lèi)型控制。例如 List， 元素是 Father 的基類(lèi)，可以存入 Father 及其子類(lèi)。但編譯器并不知道哪個(gè)是 Father 的超類(lèi)，如 Human。讀取的時(shí)候，自然不知道是什么類(lèi)型，只能返回 Object，這樣元素信息就全部丟失了。

super的作用：用于參數(shù)類(lèi)型限定。

PECS 原則：

1.頻繁往外讀取內(nèi)容的，適合用extends
2.經(jīng)常往里插入的，適合用super

上一篇：Java 數(shù)組，看這篇就夠了

下一篇：HashMap，難的不在Map，而在Hash

微信搜索「沉默王二」公眾號(hào)，關(guān)注后回復(fù)「免費(fèi)視頻」獲取 500G 高質(zhì)量教學(xué)視頻（已分門(mén)別類(lèi)）。