【数据结构与算法】泛型的介绍及使用

✨个人主页：bit me
✨当前专栏：数据结构
✨每日一语：你所浪费的今天，是昨日死去之人苦苦奢望的明天；你所厌恶的现在，是未来的你再也回不去的曾经🖕

🌴一 什么是泛型

一般的类和方法，只能使用具体的类型: 要么是基本类型，要么是自定义的类。如果要编写可以应用于多种类型的代码，这种刻板的限制对代码的束缚就会很大。----- 来源《Java编程思想》对泛型的介绍。

泛型是在JDK1.5引入的新的语法，通俗讲，泛型：就是适用于许多许多类型。从代码上讲，就是对类型实现了参数化。（类型作为参数进行传递）

💐二 引出泛型

实现一个类，类中包含一个数组成员，使得数组中可以存放任何类型的数据，也可以根据成员方法返回数组中某个下标的值？

思路：

1. 我们以前学过的数组，只能存放指定类型的元素，例如：int[] array = new int[10]; String[] strs = newString[10];
2. 所有类的父类，默认为Object类。数组是否可以创建为Object?

当我们创建了这个数组之后，这个数组里面可以存储任何类型的数据，可以是字符串，可以是整型，可以是小数…所以在我们想打印输出的时候，就出现了错误，获取下标元素返回的类型是Object类型的，发生了向下转型，所以此时就必须强转类型

class MyArray{
    public Object[] array = new Object[10];
    //获取pos下标的值
    public Object getPos(int pos){
        return array[pos];
    }
    //给pos下标放一个元素
    public void setPos(int pos,Object val){
        array[pos] = val;
    }
}
public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
    	MyArray myArray = new MyArray();
        myArray.setPos(0,1);
        myArray1.setPos(1,"haha");
        String ret = (String) myArray.getPos(1);
        System.out.println(ret);
        }
}        
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

但是在这里又出现了一个疑问，那岂不是只能通过我们自己来观察数据的类型，然后强转，当数据过多时，我们又该怎么办？
此时我们就希望：

①能不能自己指定类型，②可不可以不用进行强制类型转换

我们在这里引出了泛型：

泛型的主要目的：就是指定当前的容器，要持有什么类型的对象。让编译器去做检查。此时，就需要把类型，作为参数传递。需要什么类型，就传入什么类型。

2.1 语法

class 泛型类名称<类型形参列表> {
        // 这里可以使用类型参数
    }
class ClassName<T1, T2, ..., Tn> {
}
1
2
3
4
5

class 泛型类名称<类型形参列表> extends 继承类/* 这里可以使用类型参数 */ {
	//这里可以使用类型参数
}
class ClassName<T1, T2, ..., Tn> extends ParentClass<T1> {
	// 可以只使用部分类型参数
}
1
2
3
4
5
6

上述代码进行改写如下：

class MyArray<T>{
    //public Object[] array = new Object[10];
    public T[] array = (T[])new Object[10];//这个写法也不好
    //获取pos下标的值
    public T getPos(int pos){
        return array[pos];
    }
    //给pos下标放一个元素
    public void setPos(int pos,T val){
        array[pos] = val;
    }
}

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        /**
         * 1. 指定当前类当中，使用的类型是Integer类型
         * 2.泛型帮我在编译期间做了2件事情
         * ①存放元素的时候，进行了类型的检查
         * ②取元素的时候，帮我进行了类型的转换
         * 3.<>里面必须是引用类型
         */
        MyArray<Integer> myArray = new MyArray<>();

        myArray.setPos(0,1);
        myArray.setPos(1,2);
        //myArray.setPos(1,"hello");

        Integer ret = myArray.getPos(1);
        //String ret = (String) myArray.getPos(1);
        System.out.println(ret);

        MyArray<String> myArray1 = new MyArray<>();

        myArray1.setPos(0,"abc");
        myArray1.setPos(1,"haha");
        String ret2 = myArray1.getPos(1);
        System.out.println(ret2);

    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41

代码详解：

1. 类名后的代表占位符，表示当前类是一个泛型类
了解： 【规范】类型形参一般使用一个大写字母表示，常用的名称有：
E 表示 Element
K 表示 Key
V 表示 Value
N 表示 Number
T 表示 Type
S, U, V 等等 - 第二、第三、第四个类型
2. 上述代码中不能new泛型类型的数组
public T[] array = (T[])new Object[10];不可以替换成T[] array = new T[5];
3. 类型后加入指定当前类型（<>里面必须是引用类型）
4. 不需要进行强制类型转换
5. 在前面已经指定类当前的类型，编译器会在存放元素的时候帮助我们进行类型检查。

总结：泛型帮我在编译期间做了2件事情

①存放元素的时候，进行了类型的检查
②取元素的时候，帮我进行了类型的转换

🌷三 泛型类的使用

3.1 语法

泛型类<类型实参> 变量名; // 定义一个泛型类引用
new 泛型类<类型实参>(构造方法实参); // 实例化一个泛型类对象
1
2

3.2 示例

MyArray<Integer> list = new MyArray<Integer>();
1

注意：泛型只能接受类，所有的基本数据类型必须使用包装类！

3.3 类型推导(Type Inference)

当编译器可以根据上下文推导出类型实参时，可以省略类型实参的填写

MyArray<Integer> list = new MyArray<>(); // 可以推导出实例化需要的类型实参为 int
1

🌹四.裸类型(Raw Type) （了解）

4.1 说明
裸类型是一个泛型类但没有带着类型实参，例如 MyArrayList 就是一个裸类型

MyArray list = new MyArray();
1

注意： 我们不要自己去使用裸类型，裸类型是为了兼容老版本的 API 保留的机制

裸类型和我们上述没有使用泛型效果是一样的，编译期间不会报错，但是会警告

小结：
1. 泛型是将数据类型参数化，进行传递
2. 使用表示当前类是一个泛型类
3. 泛型目前为止的优点：数据类型参数化，编译时自动进行类型检查和转换

🌻五 泛型如何编译的

5.1 擦除机制
在上面那段代码中，通过命令：javap -c 查看字节码文件，所有的T都是Object。

在编译的过程当中，将所有的T替换为Object这种机制，我们称为：擦除机制。

Java的泛型机制是在编译级别实现的。编译器生成的字节码在运行期间并不包含泛型的类型信息。
提出问题：

1、那为什么，T[] ts = new T[5]; 是不对的，编译的时候，替换为Object，不是相当于：Object[] ts = new Object[5]吗？
这里最大的问题是数组！！Java里的数组很特殊，例如我们在获取数组下标元素的时候，我们要指定获取元素的类型，而在Object类里面，是包含很多种数据类型的，所以不能用指定的数据类型来接收它

2、类型擦除，一定是把T变成Object吗？
不是的，我们可以通过字节码看到的T确实变成了Object，但是涉及到泛型上界之后，情况又有所不一样，我们接着往下看

5.2 为什么不能实例化泛型类型数组

class MyArray1<T> {
    public T[] array = (T[]) new Object[10];

    public T getPos(int pos){
        return this.array[pos];
    }

    public void setPos(int pos,T val){
        this.array[pos] = val;
    }

    public T[] getArray(){
        return array;
    }
}
public class TestDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        MyArray1<Integer> myArray1 = new MyArray1<>();
        Integer[] strings = myArray1.getArray();
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

原因：替换后的方法为：将Object[]分配给Integer[]引用，程序报错。

public Object[] getArray(){
        return array;
}
1
2
3

数组和泛型之间的一个重要区别是它们如何强制执行类型检查。具体来说，数组在运行时存储和检查类型信息。然而，泛型在编译时检查类型错误。
通俗讲就是：返回的Object数组里面，可能存放的是任何的数据类型，可能是String，可能是Person，运行的时候，直接转给Integer类型的数组，编译器认为是不安全的。

正确的方式：【了解即可】

//通过反射创建，指定类型的数组
public MyArray1(Class<T> clazz, int capacity) {
	array = (T[])array.newInstance(clazz, capacity);
}
1
2
3
4

🌵六 泛型的上界

在定义泛型类时，有时需要对传入的类型变量做一定的约束，可以通过类型边界来约束。
6.1 语法

class 泛型类名称<类型形参 extends 类型边界> {
	...
}
1
2
3

6.2 示例

public class MyArray<E extends Number> {
	...
}
1
2
3

只接受 Number 的子类型作为 E 的类型实参
了解： 没有指定类型边界 E，可以视为 E extends Object

6.3 复杂示例

public class MyArray<E extends Comparable<E>> {
	...
}
1
2
3

写一个泛型类，类中有个方法，求数组最大值

class Alg<T>{
    public T findMax(T[] array){
        T max = array[0];
        for (int i = 1; i < array.length; i++) {
            if(max < array[i]){
                max = array[i];
            }
        }
        return max;
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

按照我们以往的学的知识来进行比较的时候会发现程序是错误的，原因就在我们的泛型类是引用类型，不能直接用大于小于进行比较，为了像我们之前在数组里的比较一样，一样的类型进行比较，要么使用接口，要么使用比较器，那在这里我们直接在泛型类上接口

class Alg<T extends Comparable<T>>{
    public T findMax(T[] array){
        T max = array[0];
        for (int i = 1; i < array.length; i++) {
            if(max.compareTo(array[i]) < 0){
                max = array[i];
            }
        }
        return max;
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

泛型的上界使用的是extends，接上了Comparable之后，都可以接收

注意：泛型没有下界

🌿七 泛型方法

7.1 定义语法

方法限定符 <类型形参列表> 返回值类型 方法名称(形参列表) {
 	...
}
1
2
3

7.2 示例

//静态的泛型方法
class Alg2{
    public static<T extends Comparable<T> > T findMax(T[] array){
        T max = array[0];
        for (int i = 1; i < array.length; i++) {
            if(max.compareTo(array[i]) < 0){
                max = array[i];
            }
        }
        return max;
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

静态的泛型方法 需要在static后用<>声明泛型类型参数，且类名后面的可以省略

7.3 使用示例-可以类型推导

Integer[] a = { ... };
swap(a, 0, 9);

String[] b = { ... };
swap(b, 0, 9);
1
2
3
4
5

7.4 使用示例-不使用类型推导

Integer[] a = { ... };
Util.<Integer>swap(a, 0, 9);

String[] b = { ... };
Util.<String>swap(b, 0, 9);
1
2
3
4
5

🌿八 通配符

? 用于在泛型的使用，即为通配符

8.1 通配符解决什么问题

通配符是用来解决泛型无法协变的问题的，协变指的就是如果 Student 是 Person 的子类，那么 List也应该是 List的子类。但是泛型是不支持这样的父子类关系的。

泛型 T 是确定的类型，一旦你传了我就定下来了，而通配符则更为灵活或者说是不确定，更多的是用于扩充参数的范围.

例如：

如果泛型的类型设置的不是String，而是Integer，程序就会报错，因为我们可以看到在方法里我们把类型定义成String类，写成了定格的形式，只能传String类型的，所以无法传递别的类型

我们需要的解决方案：

可以接收所有的泛型类型，但是又不能够让用户随意修改。这种情况就需要使用通配符"?"来处理

把图中红色圈圈围起来的String改成?即可，此时使用通配符"?"描述的是它可以接收任意类型，但是由于不确定类型，所以无法修改，相当于无法赋值，在调用者里面就写成定格形式了，在源码里面使用的较多

在"?"的基础上又产生了两个子通配符：
? extends 类：设置通配符上限
? super 类：设置通配符下限

8.2 通配符上界
语法：

<? extends 上界>
<? extends Number>//可以传入的实参类型是Number或者Number的子类
1
2

例如我们写一个食物类：

class Food {

}
class Fruit extends Food {

}
class Apple extends Fruit {

}
class Banana extends Fruit {

}

class Plate<T> {
    private T message ;

    public T getPlate() {
        return message;
    }
    public void setPlate(T message) {
        this.message = message;
    }
}

public class TestDemo5 {
 	public static void main(String[] args) {
        Plate<Apple> plate1 = new Plate<>();
        Plate<Banana> plate2 = new Plate<>();
        fun(plate1);
        fun(plate2);
    }
    //通配符上界，一般用来读取元素
    public static void fun(Plate<? extends Fruit> temp){
        //temp.setPlate(new Apple());//这里不知道temp引用的子类是谁，所以，不能往里面放元素
        System.out.println(temp.getPlate());
        //Fruit fruit = temp.getPlate();这里是可以的
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38

此时无法在fun函数中对temp进行添加元素，因为temp接收的是Fruit和他的子类，此时存储的元素应该是哪个子类无法确定。所以添加会报错！但是可以获取元素。

我们从上面的例子中可以知道通配符的上界，不能进行写入数据，只能进行读取数据。

8.3 通配符下界
语法：

<? super 下界>
<? super Integer>//代表 可以传入的实参的类型是Integer或者Integer的父类类型
1
2

如上面的例子：

class Food {

}
class Fruit extends Food {

}
class Apple extends Fruit {

}
class Banana extends Fruit {

}

class Plate<T> {
    private T message ;

    public T getPlate() {
        return message;
    }
    public void setPlate(T message) {
        this.message = message;
    }
}

public class TestDemo5 {
    public static void main(String[] args) {
        Plate<Fruit> plate1 = new Plate<>();
        fun1(plate1);

        Plate<Apple> plate2 = new Plate<>();
        //fun1(plate2);报错
    }

    //传参的是Fruit自己 或者 Fruit的父类，适合写数据，不适合读数据
    public static void fun1(Plate<? super Fruit> temp){
        temp.setPlate(new Apple());//这个是Fruit的子类
        temp.setPlate(new Fruit());//这个是Fruit本身

        //temp.setPlate(new Food());不可以这样做，Fruit的父类有很多，不一定就是某一个
        //Fruit fruit = temp.getPlate();不能接收  无法确定是哪个父类  可能发生向上转型
        System.out.println(temp.getPlate());//只能直接输出
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43

通配符的下界，不能进行读取数据，只能写入数据。

🌳九 包装类

在Java中，由于基本类型不是继承自Object，为了在泛型代码中可以支持基本类型，Java给每个基本类型都对应了一个包装类型。

9.1 基本数据类型和对应的包装类

除了 Integer 和 Character， 其余基本类型的包装类都是首字母大写。

9.2 装箱和拆箱

在使用过程中，装箱和拆箱带来不少的代码量，所以为了减少开发者的负担，java 提供了自动机制

装箱（装包）：把基本数据类型转变为包装类类型
装箱分为：自动装箱和手动装箱

public static void main(String[] args) {
    int a = 10;
    Integer b = a;//自动装箱
    Integer c = Integer.valueOf(a);//手动装箱
    System.out.println(b);
}
1
2
3
4
5
6

再看看底层字节码实现：

拆箱（拆包）：把包装类类型转变为基本数据类型
拆箱分为：自动拆箱和手动装箱

public static void main(String[] args) {
    Integer a = 10;
    int b = a;//自动拆箱
    double c = a.doubleValue();//手动拆箱
    System.out.println(b);
}
1
2
3
4
5
6

再看看底层字节码实现：

阿里面试题：
下列代码输出什么，为什么？

public static void main(String[] args) {
    Integer a = 127;
    Integer b = 127;
    Integer c = 128;
    Integer d = 128;
    System.out.println(a == b);
    System.out.println(c == d);
}
1
2
3
4
5
6
7
8

输出结果：

分析：Integer a = 127;就是一个装箱过程，在底层会默认调用valueOf，valueOf的底层实现如下：

可以看到 i 如果是处于low和high之间，就会返回某个数组的下标的元素，不在这个范围就会new一个新的对象

再查看底层high就是127，low是-128，所以范围是[-128，127]，总的和是256，在valueOf底层中下标计算我们代入high和low的值：-128 +（-（-128）） = 0，所以下标-128的数下标为0，127下标就是127+128=255，所以最终只能在这个范围内才可以比较

优化：在前面我们学过equals比较，只要是引用类型的比较一样不一样，可以选择使用equals和compara比较

System.out.println(c.equals(d));
1