Java 泛型

Java 泛型本质是参数化类型 Parametersized Type 的应用，也就是说操作的数据类型被指定为一个参数。这种参数类型可以用在类、接口和方法的创建中，分别被称为泛型类、泛型接口和泛型方法。
我们使用尖括号 <>来表示泛型。Java 7 及以后版本，运行构造器后不需要带完整的泛型信息，只要给出一对尖括号 <> 即可，Java 可以推断出尖括号里应该是什么泛型信息。比如：List<String> list = new ArrayList<>(); 。两个尖括号看起来很想菱形，也称为这种用法为菱形语法。

基本概念

类型变量和参数化类型

它们是组成泛型的两个最基本的概念，如泛型 List<T> ：

• 类型变量 type variables
T，即为类型变量，它只能在类，构造方法，普通方法中定义它。
• 参数化类型 parameterized type
List<T> 这个整体表示参数化类型，可以用来定义变量，如 List<String> lists。在类型擦除后，并不会保留泛型信息，所以参数化类型实际上是类类型（包含接口）。

相关概念从反射角度也有解释：Type 类型

类型形参和实参

泛型允许在定义类、接口、方法时使用类型参数（type parameter），这个类型参数在声明变量、创建对象、调用方法时动态的指定。

• 类型形参
  泛型在定义时的参数，如 <K, V> 。
• 类型实参
  泛型在使用时指定的参数，即具体参数，如 <K, V 在使用时实际指定的 <Integer, String>。类型实参只能是类类型（包含接口），不能是基本数据类型。

// 1. 定义时，为类型形参 E 
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>...{
    ...
}

// 2. 使用时，需要指定类型实参 String
List<String> list = new ArrayList<String>();

泛型接口

public interface GenericInterface<K, V>{
    V put(K key, V value);
}

定义接口时使用泛型声明，指定两个类型形参 K, V，在接口中形参名 K, V 可以作为类型来使用。

泛型类

public class GenericClass<T> {
    private T t;

    public GenericClass(T t) {
        this.t = t;
    }

    public void setT(T t){
        this.t = t;
    }

    public T getT(){
        return t;
    }
}

定义类时使用了泛型声明，指定类型形参为 T，类中使用形参 T 定义了变量 t，并使用形参 T 定义了构造方法。
在定义构造方法时不需要使用类型形参，只有在实例化话时才需要。

泛型方法

泛型方法的类型参数不需要在定义类或者接口时声明，只需要在方法返回值前面声明就可以了。

修饰符 <类型形参列表> 返回值 方法名(方法形参列表){
    ...
}

// 1. 泛型方法定义
public class GenericClass{
    // 构造方法
    public <TT> GenericClass(TT tt, String s){...}
    
    // 普通方法
    public <M, N> void genericMethod(M key, N value, Map<M, N> map){
        map.put(key, value);
    }
}
// 2. 泛型方法的 2 种调用方式
GenericClass genericClass = new GenericClass();
HashMap<Integer, String> hashMap1 = new HashMap<>();
HashMap<String, String> hashMap2 = new HashMap<>();
// 调用方式一：显示指定传入的类型
genericClass.<Integer, String>genericMethod(5, "5", hashMap1);
// 调用方式二：Java 7 及之后，编译器会自行推断类型
genericClass.genericMethod("6", "6", hashMap2);

定义方法时使用泛型声明，指定类型形参为 M, N，方法的形参列表和方法体中都可以将 M, N 作为类型使用。

值得注意的是，构造方法也可以使用泛型。

泛型继承和子类型

重要概念

在面向对象中有个非常重要的使用方式：向上转型，也就是父类变量引用子类对象。比如：

Object someObject = new Object();
Integer someInteger = new Integer(10);
someObject = someInteger;   // OK

在方法的形参中，也可以使用向上转型。

public void someMethod(Number n) { /* ... */ }

someMethod(new Integer(10));    // OK
someMethod(new Double(10.1));   // OK

在泛型中我们也可以使用向上转型，这也是集合中非常常用的一种方式。

Box<Number> box = new Box<Number>();
box.add(new Integer(10));   // OK
box.add(new Double(10.1));  // OK

但是请注意：方法的形参列表在使用泛型时，传入的参数必须完全匹配。

Box<Number> box = new Box<Number>();
Box<Integer> boxI = new Box<Integer>();
Box<Double> boxD = new Box<Double>();
public void boxTest(Box<Number> n) { /* ... */ }

boxTest(box);   // OK
boxTest(boxI);  // compile-time error
boxTest(boxD);  // compile-time error

形参并不能传入 Box<Integer>, Box<Double>。也就是说 Box<Integer>, Box<Double> 并不是 Box<Number> 的子类型。

泛型使用的重要概念：给定的两个类型 A 和 B，不管 A, B 是否存在继承关系，MyGenericClass<A> 和 MyGenericClass<B> 都没有任何直接关系，他们的共同父类是 Object。

泛型类型的继承和接口的实现

泛型接口的实现类，泛型类的子类，在定义泛型时需要注意：

• 指定具体类型实参
• 不指定类型参数
• 指定相同的类型形参

// 指定具体类型实参
public class MyGenericInterface implements 
        GenericClass.GenericInterface<Integer, String>{

    @Override
    public String put(Integer key, String value) {
        return null;
    }
}

// 不指定类型参数
public class SubGenericClass extends GenericClass {
    public SubGenericClass(Object o) {
        super(o);
    }
}

// 指定相同的类型形参
public class SecondSubGenericClass<T> extends GenericClass<T> {

    public SecondSubGenericClass(T t) {
        super(t);
    }
}

示例中泛型接口的实现类指定具体类型实参 Integer, String，继承泛型类时不指定类型参数，默认将类型实参设置为 Object，或者指定相同的类型参数。在实际使用中推荐指定相同的类型参数。

泛型类的类型实参如果不同，则不存在继承关系，即使类型实参之间有继承关系。也就是说泛型中只有类型参数相同时，泛型类才存在继承关系。

interface PayloadList<E,P> extends List<E> {
  void setPayload(int index, P val);
  ...
}

PayloadList<String,String>, PayloadList<String,Integer>, PayloadList<String,Exception> 三者的关系如下：

这部分参考教程：Generics, Inheritance, and Subtypes

泛型中类型变量边界限定

语法格式

类型变量 T 可以表示任何类型，通过关键字 extends 可以限制类型变量的边界，语法格式：

// 1. 单个限定
<T extends BoundingType>
// 2. 多个限定
<T extends BoundingType1 & BoundingType2 & BoundingType3>

表示 T 是“边界类型”的子类型，“边界类型”可以是类也可以是接口，如果不做边界限定，默认边界为 Object。但是在多限定中，只能有一个类，而且必须放在限定表的第一位；接口的数量和位置没有限制。

示例

public class GenericTypeParaBounder<T extends Number>{
    T t;

    // 1. 单限定
    public <T1 extends Number> void testGenericBounder(T1 t1){
        //...
    }

    // 2. 多限定，只能有一个类而且必须放在第一位
    public <T2 extends A & B & C> void testGenericMultipleBounder(T2 t2){
        //...
    }

    private class A{}
    private interface B{}
    private interface C{}

    // 3. 多限定，接口数量和位置没有限制
    public <T3 extends Comparable & Serializable> void 
    testGenericMultipleBounder2(T3 t3){
        //...
    }
}

泛型通配符

通配符

为了解决类型不能动态根据实例来确定的缺点，引入“通配符泛型 ?”。但通配符并不是具体的类型，所以代码中不能使用 ? 作为一种类型。

• 不限定通配符
  使用 ? 代替类型实参，即它可以是任何类型，如 Class <?>。
• 限定性通配符上界 extends
<? extends Father> 表示上界，即参数化类型的可能是 Father 或是 Father 的子类。也可以看出不限定通配符实际上是 <? extends Object>。
• 限定性通配符下界 super
<? super Son> 表示下界，表示参数化类型是 Son 的超类型（父类型），直至 Object。

通配符泛型继承

使用通配符可以解决泛型类向上转型时的问题。

• 无限定通配符
  List<Number>, List<Integer> 都是 List<?> 的子类。

• 限定通配符
  List<Number>, List<Integer>, List<Long>, List<Float> 都是 List<? extends Number> 的子类。
  List<Integer>, List<Number>, List<Object> 都是 List<? super Integer 的子类。

• 示例

  // 泛型中使用向上转型时，Integer 继承 Number
  // 但是 List<Number> 和 List<Integer> 并没有继承关系
  List<Integer> li = new ArrayList<>();
  List<Number> ln = li;               // compile-time error
  
  // 1. 无限定通配符
  List<?> l = li;                     // OK
  
  // 2. 上界
  List<? extends Integer> eli = new ArrayList<>();
  List<? extends Number> eln = eli;   // OK
  
  // 3. 下界
  List<? super Number> sln = new ArrayList<>();
  List<? super Integer> sli = sln;    // OK

通配符集合操作注意事项

在集合中，对于边界，上界不能 add，下界不能 get。

首先我们需要明白集合中限定性通配符的意义：

List<? extends Number> ln = new ArrayList<>();
// 根据限定性通配符上界的继承关系
// ln 表示这个集合可以是 List<Number>,List<Integer>, List<Long>,List<Float> 等等

List<? super Integer> li = new ArrayList<>();
// 根据限定性通配符下界的继承关系
// li 表示这个集合可以是 List<Integer>, List<Number>, List<Object>

• 上界不能 add 边界

List<? extends Number> ln = new ArrayList<>();
Number n = ln.get(0);         // OK
//ln.add(n);                  // compile-time error.

将 get/add 的类型展开：

? extends Number get(int i);
void add(? extends Number);

ln = {List<Number>, List<Integer>, List<Long>, List<Float>...}，ln 是其中某一类型，边界是 Number。在 get 时不管拿到的是哪种类型 Number, Integer, Long, Float，都可以向上转型到边界 Number 。而如果 ln 当前是 List<Float>，在 add 时添加边界 Number 会存在不安全的向下转型，导致编译报错。

• 下界不能 get 边界

List<? super Integer> li = new ArrayList<>();
// Integer i = li.get(0);      // compile-time error.
li.add(1);                     // OK.

将 get/add 的类型展开：

? super Integer get(int i);
void add(? super Integer);

li = {List<Integer>, List<Number>, List<Object>...}，li 是其中某一类型，边界是 Integer。在 add 边界 Integer 时，不管 li 是哪种类型，Integer 都能正确的向上转型到 Integer, Number, Object。而如果 li 当前是 List<Object>，在 get 时转换为边界 Integer 是不安全的向下转型，导致编译错误。

类型擦除

Java 的泛型只在源码中存在，在编译后的字节码文件中都会被替换为原始类型 Raw Type，并且在相应的地方插入了强制转型代码。 Java 语言泛型的实现方法称为类型擦除（Type Erasure），这种实现也被称为伪泛型。
类型擦除后的原始类型为限定类型（如果是不限定则为 Object）。

类型擦除示例

// 1. 源码
Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
map.put("hello", "world");
System.out.println(map.get("hello"));
// 限定符
List<? extends Number> list = new ArrayList<>();
Number n = list.get(0);

// 2. 反编译结果：类型擦除后在使用时做强行转换
Map map = new HashMap();
map.put("hello", "world");
System.out.println((String) map.get("hello"));
// 限定符使用边界
ArrayList localArrayList = new ArrayList();
Number localNumber = (Number)localArrayList.get(0);

JVM 中关于方法的几个基本概念

Class 文件格式中方法表，包含的几个重要字段：名称、描述符、属性组等。

• 特征签名
  方法特征签名：仅仅包括方法名称、参数类型以及参数顺序（不包含返回值）。
• 描述符
  描述符的作用用来描述字段的数据类型、方法的参数列表（包含数量、类型和顺序）和返回值，只有描述符不一致的两个方法才能再同一个 Class 文件中共存。
• Sigature 属性
  在 Java 语言中，任何类、接口、初始化方法或成员的泛型签名如果包含了类型变量或者参数化类型，则 Signature 属性会记录泛型签名信息。所以类型擦除仅仅是对方法的字节码进行了擦除，实际上 Signature 属性保留了泛型信息。

泛型方法不能重载

如下示例中方法 mytest 重载，但是参数类型都是泛型 List<E>。

import java.util.List;
import java.util.ArrayList;

public class TestGeneric{
    public static int mytest(List<Integer> s) {
        return 0;
    }

    public static String mytest(List<String> s) {
        return "";
    }

    public static void main(String[]agrs){
        mytest(new ArrayList<String>());
        mytest(new ArrayList<Integer>());
    }
}

关于泛型方法的重载，Java 6 和以后的版本表现完全不一样：

• Java 6 能通过编译并正常运行
  在 Java 6 只需要 class 文件中方法描述符（返回值不同）不一致就可以共存，并且 Singture 属性保留了泛型信息，所以能正常编译和运行。
• Java 7 及以后版本不能正常编译
  从 Java 7 开始，编译开始就检查泛型的特征签名（不包含返回值）。根据特征签名的定义，以及泛型的类型擦除特性，mytest 特征签名是一样的，所以在编译过程中报错。

// Java 7 及以上不能编译通过
xmt@server005:~/test/java$ java -version
java version "1.7.0_91"
OpenJDK Runtime Environment (IcedTea 2.6.3) (7u91-2.6.3-0ubuntu0.12.04.1)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 24.91-b01, mixed mode)
xmt@server005:~/test/java$ javac TestGeneric.java
TestGeneric.java:9: error: name clash: mytest(List<String>) and 
mytest(List<Integer>) have the same erasure
    public static String mytest(List<String> s) {
                         ^
1 error

// Java 6 可以编译通过并正常运行
xmt@server005:~/test/java$ java -version
java version "1.6.0_31"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.6.0_31-b04)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 20.6-b01, mixed mode)
xmt@server005:~/test/java$ javac TestGeneric.java
xmt@server005:~/test/java$ java TestGeneric

详细参考：JVM：深入理解Java虚拟机–读书笔记：泛型

泛型方法重写

泛型方法支持重写，支持的原因是 Java 编译器会自动为重写方法添加一个适配的方法，这个方法称为桥方法。

• 源码

  public class Node<T> {
      public T data;
  
      public Node(T data) {
          this.data = data;
      }
  
      public void setData(T data) {
          System.out.println("Node.setData");
          this.data = data;
      }
  
  
      public class MyNode extends Node<Integer> {
          public MyNode(Integer data) { super(data); }
      
          @Override
          public void setData(Integer data) {
              System.out.println("MyNode.setData");
              super.setData(data);
          }
      }
      
      public void testGenericOverride(){
          MyNode mn = new MyNode(5);
          // A raw type - compiler throws an unchecked warning
          Node n = mn;     
          n.setData("Hello");
          // Causes a ClassCastException to be thrown.
          Integer x = mn.data;    
      }
  }

• 类型擦除后

  public class Node {
      public Object data;
  
      public Node(Object data) { this.data = data; }
  
      public void setData(Object data) {
          System.out.println("Node.setData");
          this.data = data;
      }
  
      public class MyNode extends Node {
          public MyNode(Integer data) { super(data); }
      
          public void setData(Integer data) {
              System.out.println("MyNode.setData");
              super.setData(data);
          }
      }
      
      public void testGenericOverride(){
          MyNode mn = new MyNode(5);
          //A raw type-compiler throws an unchecked warning
          Node n = (MyNode)mn; 
          n.setData("Hello");
          //Causes a ClassCastException to be thrown.
          Integer x = (String)mn.data;
      }
  }

类型擦除后，可以看出 setData 的参数类型并不一样，也就说 setData 在重载。那 Java 中是如何实现重写的呢？

• 桥方法
  反编译 MyNode 的字节码：

  xmt@server005:~/$ javap -v Node\$MyNode.class
  ...
  
    public void setData(java.lang.Integer);
      flags: ACC_PUBLIC
      Code:
        stack=2, locals=2, args_size=2
           0: getstatic     #3     // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
           3: ldc           #4     // String MyNode.setData
           5: invokevirtual #5     // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
           8: aload_0
           9: aload_1
          10: invokespecial #6     // Method Node.setData:(Ljava/lang/Object;)V，调用桥方法
          13: return
        LineNumberTable:
          line 19: 0
          line 20: 8
          line 21: 13
  
    // Java 编译器自动添加的 桥方法
    public void setData(java.lang.Object);
      flags: ACC_PUBLIC, ACC_BRIDGE, ACC_SYNTHETIC
      Code:
        stack=2, locals=2, args_size=2
           0: aload_0
           1: aload_1
           2: checkcast     #7     // class java/lang/Integer
           5: invokevirtual #8     // Method setData:(Ljava/lang/Integer;)V
           8: return
        LineNumberTable:
          line 14: 0
  }
  ...

从反编译的字节码中可以看出，多了一个 setData(Object)，这个就是编译器自动添加的桥方法，从而实现了重写。

泛型数组

不能直接创建泛型数组

// 1. Normal Array.
Object[] strings = new String[2];
strings[0] = "hi";   // OK
strings[1] = 100;    // An ArrayStoreException is thrown.

// 2. Cannot create generic array directly.
Object[] stringLists = null;
//stringLists = new List<String>[2];        // compiler error
stringLists[0] = new ArrayList<String>();   // OK
// An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can't detect it.
stringLists[1] = new ArrayList<Integer>();

数组在使用中，数组元素的类型必须一致，否则在运行时会报错 An ArrayStoreException is thrown，比如字符串数组 strings[1] = 100; 赋值一个整数导致运行时报错。同样，如果创建了泛型数组，虽然类型不一致，但是类型擦除后，无法确认具体的类型，运行时并不能检测到错误，所以泛型中禁止直接创建泛型数组。

通配符创建泛型数组

// 不安全的向下转型 List<String> 是 List<?> 的子类
// List<String>[] lsa = new List<?>[10];    // compiler error,

// OK, array of unbounded wildcard type.
List<?>[] lsa = new List<?>[10];
Object o = lsa;
Object[] oa = (Object[]) o;
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.add(3);
// Correct.
oa[1] = li;
// Run time error, but cast is explicit.
String s = (String) lsa[1].get(0);

The Java™ Tutorials: Generics ，官网教程给出使用通配符来创建泛型数组。这个示例在运行时，最后一句会抛出类型转换错误 Integer 不能直接转换为 String。

反射创建泛型数组

List<String>[] lsa = (List<String>[])Array.newInstance(ArrayList.class, 4);
Object o = lsa;
Object[] oa = (Object[]) o;
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.add(3);
// Correct.
oa[1] = li;
// Run time error, but cast is explicit.
String s = lsa[1].get(0);

使用反射创建数组，并强制转换为泛型数组，此处会给出 Uncheck 警告，没有做类型检查。

显性转换

不管是通配符还是反射创建的泛型数组，在都需要做一次显示的类型转换。通配符是在使用时做转换，反射是在创建时转换。

注意事项 Restrictions on Generics

Java 在泛型使用中有如下约束规则和限制，大都是类型擦除引起，参考Restrictions on Generics

不能使用基本数据类型定义类型参数

泛型类型形参只能是类类型，不能是基本数据类型。

Pair<int, char> p = new Pair<>(8, 'a');             // compile-time error
Pair<Integer, Character> p = new Pair<>(8, 'a');    // OK!

不能使用类型参数创建实例

不能使用类型参数来创建实例，但是可以通过反射调用 Class.newInstance 方法来构造泛型对象。

// 1. Error
public static <E> void append(List<E> list) {
    E elem = new E();  // compile-time error
    list.add(elem);
}
// 类型擦除后为 Object，显然我们并不是希望实例化 Object

// 2. Right
public static <E> void append(List<E> list, Class<E> cls) throws Exception {
    E elem = cls.newInstance();   // OK
    list.add(elem);
}
// 通过 cls.newInstance 来构造泛型对象，Class<T> 在实例化的时候，T 要替换成具体类
// 此处不能使用 T.class.newInstance，还是因为泛型擦除会变成 Object

泛型类的静态上下文

即在类上定义的泛型，不能在当前类的静态属性，静态方法，静态代码块，静态类中出现。因为 static 属于类的，只加载一次，在类型擦除后，无法转换为每个具体的类型实参。

public class MobileDevice<T> {
    private static T os;

    // ...
}

// os 将出现混淆？具体是哪种实际类型呢？
MobileDevice<Smartphone> phone = new MobileDevice<>();
MobileDevice<Pager> pager = new MobileDevice<>();
MobileDevice<TabletPC> pc = new MobileDevice<>();

根据上面示例，os 将出现混淆，无法确定具体的实际类型。所以泛型类中不允许出现在静态上下中。其他错误示例：

public class GenericRestrictions<Z> {
    private static Z z;             // compile-time error
    
    public static Z get(){          // compile-time error
        return z;
    }
    
    static class ZZ{
        Z t;                        // compile-time error
    }
    
    static {
        Z z;                        // compile-time error
    }

但是我们可以脱离静态上下文（也就是不使用类上定义的泛型），重新指定泛型，这样就可以出现在泛型方法和静态类中了：

// 静态泛型方法
public static <TT> TT getTT(){...}
// 静态类
public static class StaticInnerClassGeneric<S>{
    S s;
    void set(S s){
        this.s = s;
    }
    S get(){
        return s;
    }
}

泛型中类型转换 cast 和 instanceof

• cast
  因为泛型中只有类型参数是同一类型时，才可能存在继承关系；类型参数不同，泛型类没有任何关系。

// 参数类型存在继承关系，泛型却没有任何关系
List<Integer> li = new ArrayList<>();
List<Number>  ln = (List<Number>) li;           // compile-time error

// 参数类型必须一致  
List<String> l1 = new ArrayList<>();
ArrayList<String> l2 = (ArrayList<String>)l1;   // OK

• instanceof
  类型擦除后，并不知道运行时参数类型具体是什么？

public static <E> void rtti(List<E> list) {
    if (list instanceof ArrayList<Integer>) {  // compile-time error
        // ...
    }
}

方法 rtti 在运行时，传入的参数类型可能是这些：S={ArrayList<Integer>, ArrayList<String>, LinkedList<Character>...}，而根据泛型重要概念了解到只有参数类型完全一致才存在继承关系，所以 instanceof 中泛型并不允许直接使用类型实参。

public static void rtti(List<?> list) {
    // instanceof requires a reifiable type
    if (list instanceof ArrayList<?>) {   // OK; 
        // ...
    }
}

即：instanceof 中只能使用通配符的泛型。

不能创建泛型数组

正常的数组定义和使用中，如果类型不匹配会抛出异常：

Object[] strings = new String[2];
strings[0] = "hi";   // OK
strings[1] = 100;    // An ArrayStoreException is thrown.

// 泛型
Object[] stringLists = new List<String>[];  // compiler error
stringLists[0] = new ArrayList<String>();   // OK
stringLists[1] = new ArrayList<Integer>();  
// An ArrayStoreException should be thrown,
// but the runtime can't detect it.

但是在泛型中，类型擦除后，并不能检查出 ArrayList<Integer>() 的错误，所以泛型禁止创建数组。

但是可以使用泛型数组？？？？？

泛型异常

• 泛型类不能直接或间接继承 Throwable

  // Extends Throwable indirectly
  class MathException<T> extends Exception {}      //compile-time error
  
  // Extends Throwable directly
  class QueueFullException<T> extends Throwable {} //compile-time error

• 不能 catch 泛型实例

  public static <T extends Exception, J> void execute(List<J> jobs) {
      try {
          for (J job : jobs){}
              // ...
      } catch (T e) {   // compile-time error
          // ...
      }
  }

但是我们可以 throws 泛型实例。

class Parser<T extends Exception> {
    public void parse(File file) throws T {     // OK
        // ...
    }
}

泛型比较

public final class Algorithm {
    public static <T> T max(T x, T y) {
        return x > y ? x : y;   // compile-time error
    }
}

泛型不支持直接使用关系运算符 >< 等。通常限定类型变量边界为 Comparable 并通过 compareTo 来比较。

参考文档

• Java 核心技术卷 1：第 12 章 泛型程序设计
• 深入理解 Java 虚拟机: JVM 高级特性与最佳实践 第 2 版 - 10.3.1 泛型与类型擦除
• The Java™ Tutorials – Lesson: Generics
• The Java™ Tutorials – Lesson: Generics: advanced users
• Java 泛型重载 jdk 1.7
• Java泛型的实现：泛型数组
• Java泛型 - 桥方法
• Java泛型: 泛型的内部原理