如何正確使用Java泛型

如何正確使用Java泛型
前言
　　Java 1.5之前是沒有泛型的，以前從集合中讀取每個對象都必須先進行轉換，如果不小心存入集合中對象類型是錯的，運行過程中轉換處理會報錯。有了泛型之後編譯器會自動幫助轉換，使程序更加安全，但是要正確使用泛型才能取得事半功倍的效果。

　　本文主要從不要使用原生類型，泛型方法，限制通配符，類型安全的異構容器四個部分來說明如何正確使用Java泛型。主要參考資料《Effective Java》（PDF電子版，有需要的朋友可以私信評論）

一、不要使用原生態類型

什麼是原生態類型？
　　原生態類型（Raw type），即不帶任何實際類型參數的泛型名稱。如與List對應的原生態類型List。不推薦List list = new ArrayList()這樣的方式，主要就會丟掉安全性（爲什麼不安全呢？具體請往下看），應使用List list = new ArrayList()明確類型。或者使用List
爲什麼不推薦使用原生態類型？
當我們使用原生態類型List創建一個集合，並往其中放入Stamp類與Coin類，並迭代循環獲取List集合中的元素。

複製代碼
public class RawType_Class {

public static void main(String[] args) {
    List list = new ArrayList<>();
    list.add(new Stamp());
    list.add(new Coin());
    for (Iterator i = list.iterator(); i.hasNext();) {
        Stamp stamp = i.next();
    }
}

}
複製代碼
此時必須使用Cast強轉，否則編譯會報錯，在編譯期報錯對於開發者來說是我們最希望看到的。

但是我們根據提示，增加Cast，好了編譯是不會報錯了，但是運行時期會報錯！ Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: ，這就對我們開發者來說大大增加了難度。

複製代碼
public class RawType_Class {

public static void main(String[] args) {
    List list = new ArrayList<>();
    list.add(new Stamp());
    list.add(new Coin());
    for (Iterator i = list.iterator(); i.hasNext();) {
        Stamp stamp = (Stamp) i.next();
    }
}

}
複製代碼
由此可見，原生類型是不推薦使用，是不安全的！

問1：那爲什麼Java還要允許使用原生態類型呢？

是爲了提升兼容性，Java1.5之前已經存在很多的原生態類型的代碼，那麼爲了讓代碼保持合法，並且能夠兼容新代碼，因此Java纔對原生態類型支持！

問2：那我們使用List

兩者都可以插入任意類型的對象。不嚴格來說，前者原生態類型List逃避了泛型檢查，後者參數化類型List

泛型的子類型規則
子類型規則，即任何參數化的類型是原生態類型的一個子類型，比如List是原生態類型List的一個子類型，而不是參數化List

由於子類型規則的存在，我們可以將List傳遞給List類型的參數

複製代碼
public static void main(String[] args) {
　　List strings = new ArrayList<>();
unsafeAdd(strings, new Integer(1));
String s = strings.get(0);
}
private static void unsafeAdd(List list, Object o){
　　list.add(o);
}
複製代碼
雖然編譯器是沒有報錯的，但是編譯過程會出現以下提示，表明編寫了某種不安全的未受檢的操作

但是我們不能將List傳遞給List

複製代碼
public static void main(String[] args) {
　　List strings = new ArrayList<>();
unsafeAdd(strings, new Integer(1));
String s = strings.get(0);
}
private static void unsafeAdd(List

無限制的通配符類型
　　使用原生態類型是很危險的，但是如果不確定或不關心實際的類型參數，那麼在Java 1.5之後Java有一種安全的替換方法，稱之爲無限制的通配符類型（unbounded wildcard type），可以用一個“?”代替，比如Set<?>表示某個類型的集合，可以持有任何集合。

　　那麼無限制通配類型與原生態類型有啥區別呢？原生態類型是可以插入任何類型的元素，但是無限制通配類型的話，不能添加任何元素（null除外）。

　　問：那麼這樣的通配符類型有意義嗎？因爲你並不知道它到底能加入啥樣的元素，但是又美其名曰“無限制”。

不能說沒有意義，因爲它的出現歸根結底是爲了防止破壞集合類型約束條件，並且可以根據需要使用泛型方法或者有限制的通配符類型（bound wildcard type）接口某些限制，提高安全性。

泛型的可擦除性
我們先看一下代碼，看看結果：

複製代碼
public static void main(String[] args) {

List<String> l1 = new ArrayList<String>();
List<Integer> l2 = new ArrayList<Integer>();
//  輸出爲true，擦除後的類型爲List
System.out.println(l1.getClass() == l2.getClass());

}
複製代碼
結果爲true，這是因爲：泛型信息可以在運行時被擦除，泛型在編譯期有效，在運行期被刪除，也就是說所有泛型參數類型在編譯後都會被清除掉。歸根結底不管泛型被參數具體化成什麼類型，其class都是RawType.class，比如List.class，而不是List.class或List.class

事實上，在類文字中必須使用原生態類型，不準使用參數化類型（雖然允許使用數組類型和基本類型），也就是List.class、String[].class和int.class都是合法的，而List.class和List<?>.class不合法

二、泛型方法
1、基本概念
　　之前說過，如果直接使用原生態類型編譯過程會有警告，運行過程可能會報異常，是非常不安全的一種方式。

private static Set union(Set s1, Set s2){

    Set result = new HashSet();
    result.add(s2);
    return result;
}

　　如果是在方法中使用，爲了修正這些警告，使方法變成類型安全的，可以爲方法聲明一個類型參數。

private static Set union(Set s1, Set s2){

    Set result = new HashSet();
    result.add(s2);
    return result;
}

　　static後面的就是方法的類型參數，這樣的話三個集合的類型（兩個輸入參數與一個返回值）必須全部相同。這樣的泛型方法不需要明確指定類型參數的值，而是通過判斷參數的類型計算類型參數的值，對於參數Set而言，編譯器自然知道返回的類型參數E也是String，這就是所謂的類型推導（type inference）

2、泛型單例工廠
　　有時候我們需要創建不可變但又適合許多不同類型的對象。之前的單例模式滿足不可變，但不適合不同類型對象，這次我們可以利用泛型做到這點。

複製代碼
/**

apply方法接收與返回某個類型T的值
@param
*/

public interface UnaryFunction {

T apply(T arg);

}
複製代碼
　　現在我們需要一個恆等函數（Identity function，f(x)=x，簡單理解輸入等於返回的函數，會返回未被修改的參數），如果每次需要的時候都要重新創建一個，這樣就會很浪費，如果泛型被具體化了，每個類型都需要一個恆等函數，但是它們被擦除後，就只需要一個泛型單例。

複製代碼
　　/**

 * 返回未被修改的參數arg
 */
private static UnaryFunction<Object> IDENTITY_FUNCTION = (Object arg) -> {
    return arg;
};

/**
 * 泛型方法identityFunction：
 *      返回類型：UnaryFunction<T>
 *      類型參數列表；<T>
 * 忽略強制轉換未受檢查的警告：
 * 因爲返回未被修改的參數arg，所以我們知道無論T的值是什麼，都是類型安全的
 * @param <T>
 * @return
 */
@SuppressWarnings("unchacked")
public static <T> UnaryFunction<T> identityFunction(){
    return (UnaryFunction<T>) IDENTITY_FUNCTION;
}

複製代碼
利用泛型單例編寫測試，下面代碼不會報任何的警告或錯誤。

複製代碼
public static void main(String[] args) {

    String[] strings = {"hello","world"};
    UnaryFunction<String> sameString = identityFunction();
    for (String s: strings) {
        System.out.println(sameString.apply(s));
    }
    Number[] numbers = {1,2.0};
    UnaryFunction<Number> sameNumber = identityFunction();
    for (Number n: numbers) {
        System.out.println(sameNumber.apply(n));
    }
    UnaryFunction<Stamp> sameAnotherString = identityFunction();
    System.out.println(sameAnotherString.apply(new Stamp()));
}

複製代碼
返回的都是未被修改的參數

遞歸類型限制
遞歸類型限制（recursive type bound）：通過某個包含該類型本身的表達式來限制類型參數，最普遍的就是與Comparable一起使用。比如>

public interface Comparable {

public int compareTo(T o);

}
類型參數T定義的類型，可以與實現Comparable的類型進行比較，實際上，幾乎所有類型都只能與它們自身類型的元素相比較，比如String實現Comparable，Integer實現Comparable

實現compareTo方法

String之間可以相互使用compareTo比較：

String s1 = "a";
String s2 = "b";
s1.compareTo(s2);
通常爲了對列表進行排序，並在其中進行搜索，計算出它的最小值或最大值等，就要求列表中的每個元素都能夠與列表中每個其它元素能進行比較，換句話說，列表的元素可以互相比較。往往就需要實現Comparable接口的元素列表。

複製代碼
/**

@author jian
@date 2019/4/1
@description 遞歸類型限制
*/

public class Recursive_Type_Bound {

/**
 * 遞歸類型限制（recursive type bound）
 * <T extends Comparable<T>>表示可以與自身進行比較的每個類型T，即實現Comparable<T>接口的類型都可以與自身進行比較，可以查看String、Integer源碼
 * <T extends Comparable<T>>類型參數，表示傳入max方法的參數必須實現Comparable<T>接口，才能使用compareTo方法
 * @param list
 * @param <T>
 * @return
 */
public static <T extends Comparable<T>> T max(List<T> list) {
    Iterator<T> iterator = list.iterator();
    T result = iterator.next();
    while (iterator.hasNext()) {
        T t = iterator.next();
        if (t.compareTo(result) > 0) {
            result = t;
        }
    }
    return result;
}

public static void main(String[] args) {
    List<String> list = Arrays.asList("1","2");
    System.out.println(max(list));
}

}
複製代碼

三、有限制的通配符類型
之前提到過的無限制的通配符類型就提到過，無限制的通配符單純只使用"?"（如Set<?>），而有限制的通配符往往有如下形式，通過有限制的通配符類型可以大大提升API的靈活性。

　　（1）E的某種超類集合(接口)：Collection<? super E>、Interface<? super E>、

　　（2）E的某個子類集合(接口)：Collection<? extends E>、Interface<? extends E>

問1：那麼什麼時候使用extends關鍵字，什麼什麼使用super關鍵字呢？

有這樣一個PECS(producer-extends, consumer-super)原則：如果參數化類型表示一個T生產者，就使用<? extends T>，如果表示消費者就是<? super T>。可以這樣助記

問2：什麼是生產者，什麼是消費者

1）生產者：產生T不能消費T，針對collection，對每一項元素操作時，此時這個集合時生產者（生產元素），使用Collection<? extends T>。只能讀取，不能寫入

2）消費者：不能生產T，只消費使用T，針對collection，添加元素collection中，此時集合消費元素，使用Collection<? super T>，只能添加T的子類及自身，用Object接收讀取到的元素

舉例說明：生產者

1）你不能在List<? extends Number>中add操作，因爲你增加Integer可能會指向List，你增加Double可能會指向Integer。根本不能確保列表中最終保存的是什麼類型。換句話說Number的所有子類從類關係上來說都是平級的，毫無聯繫的。並不能依賴類型推導（類型轉換），編譯器是無法確實的實際類型的！

2）但是你可以讀取其中的元素，並保證讀取出來的一定是Number的子類（包括Number），編譯並不會報錯，換句話說編譯器知道里面的元素都是Number的子類，不管是Integer還是Double，編譯器都可以向下轉型

舉例說明：消費者

1）編譯器不知道存入列表中的Number的超類具體是哪一個，只能使用Object去接收

2）但是只可以添加Interger及其子類（因爲Integer子類也是Integer，向上轉型），不能添加Object、Number。因爲插入Number對象可以指向List對象，你插入Object，因爲可能會指向List對象

注意：Comparable/Comparator都是消費者，通常使用Comparator<? Super T>），可以將上述的max方法進行改造：
複製代碼
public static > T max(List<? extends T> list) {

    Iterator<? extends T> iterator = list.iterator();
    T result = iterator.next();
    while (iterator.hasNext()) {
        T t = iterator.next();
        if (t.compareTo(result) > 0) {
            result = t;
        }
    }
    return result;
}

複製代碼

四、類型安全的異構容器
　　泛型一般用於集合，如Set和Map等，這些容器都是被參數化了（類型已經被具體化了，參數個數已被固定）的容器，只能限制每個容器只能固定數目的類型參數，比如Set只能一個類型參數，表示它的元素類型，Map有兩個參數，表示它的鍵與值。

　　但是有時候你會需要更多的靈活性，比如關係數據庫中可以有任意多的列，如果以類型的方式所有列就好了。有一種方法可以實現，那就是使用將鍵進行參數化而不是容器參數化，然後將參數化的鍵提交給容器，來插入或獲取值，用泛型來確保值的類型與它的鍵相符。

　　我們實現一個Favorite類，可以通過Class類型來獲取相應的value值，鍵可以是不同的Class類型（鍵Class<?>參數化，而不是Map<?>容器參數化）。利用Class.cast方法將鍵與鍵值的類型對應起來，不會出現 favorites.putFavorite(Integer.class, "Java") 這樣的情況。

複製代碼
/**

@author jian
@date 2019/4/1
@description 類型安全的異構容器
*/

public class Favorites {

private Map<Class<?>, Object> favorites = new HashMap<>();

public <T> void putFavorite(Class<T> type, T instance){
    if (type == null) {
        throw new NullPointerException("Type is null");
    }
    favorites.put(type, type.cast(instance));
}

public <T> T getFavorite(Class<T> type){
    return type.cast(favorites.get(type));
}

}
複製代碼
　　Favorites實例是類型安全（typesafe）的，你請求String時，不會返回給你Integer，同時也是異構（heterogeneous）的，不像普通map，它的鍵都可以是不同類型的。因此，我們將Favorites稱之爲類型安全的異構容器（typesafe heterogeneous container）。

複製代碼
public static void main(String[] args) {

    Favorites favorites = new Favorites();
    favorites.putFavorite(String.class, "Java");
    favorites.putFavorite(Integer.class, 64);
    favorites.putFavorite(Class.class, Favorites.class);
    String favoriteString = favorites.getFavorite(String.class);
    Integer favoriteInteger = favorites.getFavorite(Integer.class);
    Class<?> favoriteClass = favorites.getFavorite(Class.class);

　　　　　// 輸出 Java 40 Favorites

    System.out.printf("%s %x %s%n", favoriteString, favoriteInteger, favoriteClass.getSimpleName());
}

複製代碼
　　Favorites類侷限性在於它不能用於在不可具體化的類型中，換句話說你可以保存String，String[]，但是你不能保存List，因爲你無法爲List獲取一個Class對象：List.class是錯誤的，不管是List還是List都會公用一個List.class對象。

　　List list = Arrays.asList("1","2");
　　List list2 = Arrays.asList(3,4);
　　// 只能選一種，不能有List.class或者List.class
　　favorites.putFavorite(List.class, list2);
　　// favorites.putFavorite(List.class, list)
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