泛型（1）：简单泛型

朱雀 2023-07-13 15:23 165阅读 0赞

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。

在面向对象编程语言中，多态算是一种泛化机制。例如，你可以将方法的参数类型设为基类，那么该方法就可以接受从这个基类中导出的任何类作为参数。这样的方法更加通用一些，可应用的地方也多一些。在类的内部也是如此，凡是需要说明类型的地方，如果都使用基类，确实能够具备更好的灵活性。但是，考虑到除了final类不能扩展，其他任何类都可以被扩展，所以这种灵活性大多数时候也会有一些性能损耗。

有时候，拘泥于单继承体系，也会使程序受限太多。如果方法的参数是一个接口，而不是一个类，这种限制就放松了许多。因为任何实现了该接口的类都能满足该方法，这也包括暂时还不存在的类。这就给予客户端程序员一种选择，他可以通过实现一个接口来满足类或方法，因此，接口允许我们快捷地实现类继承，也使我们有机会创建一个新类来做到这一点。

可是有的时候，即便使用了接口，对程序的约束也还是太强了。因为一旦指明了接口，它就要求你的代码必须使用特定的接口。而我们希望达到的目的是编写更通用的代码，要使代码能够应用于“某种不具体的类型”，而不是一个具体的接口或类。

这就是java SE5的重大变化之一：泛型的概念。泛型实现了参数化类型的概念，使代码可以应用于多种类型。“泛型”这个术语的意思是：“适用于许多许多的类型”。泛型在编程语言中出现时，其最初的目的是希望类或方法能够具备最广泛的表达能力。如何做到这一点呢，正是通过解耦类或方法与所使用的类型之间的约束。稍后你会看到，java中的泛型并没有这么高的追求，实际上，你可能会质疑，java中的术语“泛型”是否适合用来描述这一功能。

如果你从未接触过参数化类型机制，那么，在学习了java中的泛型之后，你会发现，对这门语言而言，泛型确实是一个很有益的补充。在你创建参数化类型的一个实例时，编译器会为你负责转型操作，并且保证类型的正确性。这应该是一个进步。

然而，如果你了解其他语言（例如C++）中的参数化类型机制，你就会发现，有些以前能做到的事情，使用java的泛型机制却无法做到。使用别人已经构建好的泛型类型会相当容易。但是如果你要自己创建一个泛型实例，就会遇到许多令你吃惊的事情。接下来，我的任务之一就是向你解释，java中的泛型是怎样发展成现在这样的。

这并非是说java的泛型毫无用处。在很多情况下，它们可以使代码更直接更优雅。不过，如果你具备其他语言的经验，而那种语言实现了更纯粹的泛型，那么，java可能令你失望了。接下来，我会介绍java泛型的优点与局限，希望这能够帮助你更有效地使用java的这个新功能。

### 一、简单泛型 ###

有许多原因促成了泛型的出现，而最引人注目的一个原因，就是为了创造容器类。容器，就是存放要使用的对象的地方。数组也是如此，不过与简单的数组相比，容器类更加灵活，具备更多不同的功能。事实上，所有的程序，在运行时都要求你持有一大堆对象，所以，容器类算得上最具重用性的类库之一。

我们先来看看一个只能持有单个对象的类。当然了，这个类可以明确指定其持有的对象的类型：

class Automobile {
    }
    
    public class Holder1 {
    	private Automobile a;
    
    	public Holder1(Automobile a) {
    		this.a = a;
    	}
    
    	Automobile get() {
    		return a;
    	}
    }

不过，这个类的可重用性就不怎样了，它无法持有其他类型的任何对象。我们可不希望为碰到每个类型都编写一个新的类。在Java SE5之前，我们可以让这个类直接持有Object类型的对象：

public class Holder2 {
    	private Object a;
    
    	public Holder2(Object a) {
    		this.a = a;
    	}
    
    	public void set(Object a) {
    		this.a = a;
    	}
    
    	public Object get() {
    		return a;
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    		Holder2 h2 = new Holder2(new Automobile());
    		Automobile a = (Automobile) h2.get();
    		h2.set("Not an Automobile");
    		String s = (String) h2.get();
    		h2.set(1);
    		Integer x = (Integer) h2.get();
    	}
    }

现在，Holder2可以存储任何类型的对象，在这个例子中，只用了一个Holder2对象，却先后三次存储了三种不同类型的对象。

有些情况下，我们确实希望容器能够同时持有多种类型的对象。但是，通常而言，我们只会使用容器来存储一种类型的对象。泛型的主要目的之一就是用来指定容器要持有什么类型的对象，而且由编译器来保证类型的正确性。

因此，与其使用Object，我们更喜欢暂时不指定类型，而是稍后再决定具体使用什么类型。要达到这个目的，需要使用类型参数，用尖括号括住，放在类名后面。然后在使用这个类的时候，再用实际的类型替换此类型参数。在下面的例子中，T就是类型参数。

public class Holder3<T> {
    	private T a;
    
    	public Holder3(T a) {
    		this.a = a;
    	}
    
    	public void set(T a) {
    		this.a = a;
    	}
    
    	public T get() {
    		return a;
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    		Holder3<Automobile> h3 = new Holder3<>(new Automobile());
    		Automobile a = h3.get();
    //		h3.set("Not an Automobile");
    //		h3.set(1);
    	}
    }

现在，当你创建Holder3对象时，必须指明想持有什么类型的对象，将其置于尖括号内。就像main()中那样。然后，你就只能在Holder3中存入该类型（或其子类，因为多态与泛型不冲突）的对象了。并且，在你从Holder3中取出它持有的对象时，自动地就是正确的类型。

这就是java泛型的核心概念：告诉编译器想使用什么类型，然后编译器帮你处理一切细节。

一般而言，你可以认为泛型与其他的类型差不多，只不过它们碰巧有类型参数罢了。稍后我们会看到，在会用泛型时，我们只需指定它们的名称以及类型参数列表即可。

### 二、一个元组类库 ###

仅一次方法调用就能返回多个对象，你应该经常需要这样的功能吧。可是return语句只允许返回单个对象，因此，解决办法就是创建一个对象，用它来持有想要返回的多个对象。当然，可以在每次需要的时候，专门创建一个类来完成这样的工作。可是有了泛型，我们就能够一次性地解决该问题，以后再也不用在这个问题上浪费时间了。同时，我们在编译期就能确保类型安全。

这个概念称为元组（tuple），它是一组将对象直接打包存储于其中的一个单一对象。这个容器对象允许读取其中元素，但是不允许向其中存放新的对象。（这个概念也称为数据传送对象，或信使。）

通常，元组可以具有任意长度，同时，元组中的对象可以是任意不同的类型。不过，我们希望能够为每一个对象指明其类型，并且从容器中读取出来时，能够得到正确的类型。要处理不同长度的问题，我们需要创建多个不同的元组。下面的程序是一个2维元组，它能够只有两个对象：

public class TwoTuple<A, B> {
    	public final A first;
    	public final B second;
    
    	public TwoTuple(A a, B b) {
    		first = a;
    		second = b;
    	}
    
    	public String toString() {
    		return "(" + first + ", " + second + ")";
    	}
    }

构造器捕获了要存储的对象，而toString()是一个便利函数，用来显示列表中的值。注意，元组隐含地保持了其中元素的次序。

第一次阅读上面的代码时，你也许会想，这不是违反了java编程的安全性原则吗？first和second应该声明为private，然后提供getFirst()和getSecond()之类的访问方法才对呀？让我们仔细看看这个例子中的安全性：客户端可以读取first和second对象，然后可以随心所欲地使用这两个对象。但是，它们却无法将其他值赋予first和second。因为final声明为你买了相同的安全保险，而且这种格式更简洁明了。

还有另一种设计考虑，即你确实希望允许客户端程序员改变first或second所引用的对象。然而，采用以上的形式无疑是更安全的做法，这样的话，如果程序员想要使用具有不同元素的元组，就强制要求他们另外创建一个新的TwoTuple对象。

我们可以利用继承机制实现长度更长的元组。从下面的例子中可以看到，增加类型参数是件很简单的事情：

public class ThreeTuple<A, B, C> extends TwoTuple<A, B> {
    
    	public final C third;
    
    	public ThreeTuple(A a, B b, C c) {
    		super(a, b);
    		third = c;
    	}
    
    	public String toString() {
    		return "(" + first + ", " + second + ", " + third + ")";
    	}
    }

public class FourTuple<A, B, C, D> extends ThreeTuple<A, B, C> {
    
    	public final D fourth;
    
    	public FourTuple(A a, B b, C c, D d) {
    		super(a, b, c);
    		fourth = d;
    	}
    
    	public String toString() {
    		return "(" + first + ", " + second + ", " + third + ", " + fourth + ")";
    	}
    }

public class FiveTuple<A, B, C, D, E> extends FourTuple<A, B, C, D> {
    
    	public final E fifth;
    
    	public FiveTuple(A a, B b, C c, D d, E e) {
    		super(a, b, c, d);
    		fifth = e;
    	}
    
    	public String toString() {
    		return "(" + first + ", " + second + ", " + third + ", " + fourth + ", " + fifth + ")";
    	}
    }

为了使用元组，你只需定义一个长度适合的元组，将其作为方法的返回值，然后在return语句中创建该元组，并返回即可。

class Amphibian {
    }
    
    class Vehicle {
    }
    
    public class TupleTest {
    	static TwoTuple<String, Integer> f() {
    		return new TwoTuple<String, Integer>("h1", 47);
    	}
    
    	static ThreeTuple<Amphibian, String, Integer> g() {
    		return new ThreeTuple<Amphibian, String, Integer>(new Amphibian(), "h1", 47);
    	}
    
    	static FourTuple<Vehicle, Amphibian, String, Integer> h() {
    		return new FourTuple<Vehicle, Amphibian, String, Integer>(new Vehicle(), new Amphibian(), "h1", 47);
    	}
    
    	static FiveTuple<Vehicle, Amphibian, String, Integer, Double> k() {
    		return new FiveTuple<Vehicle, Amphibian, String, Integer, Double>(new Vehicle(), new Amphibian(), "h1", 47,
    				11.1);
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    		TwoTuple<String, Integer> ttsi = f();
    		System.out.println(ttsi);
    //		ttsi.first = "there";
    		System.out.println(g());
    		System.out.println(h());
    		System.out.println(k());
    	}
    }

由于有了泛型，你可以很容易地创建元组，令其返回一组任意类型的对象。而你所要做的，只是编写表达式而已。

通过ttsi.first = “there” 语句的错误，我们可以看出，final声明确实能够保护public元素，在对象被构造出来之后，声明为final的元素便不能被再赋予其他值了。

在上面的程序中，new表达式确实有点啰嗦。稍后会介绍，如何利用泛型方法简化这样的表达式。

### 三、一个堆栈类 ###

接下来我们看一个稍微复杂一点的例子：传统下的推堆栈。前面我们看到，Stack类是用一个LinkedList实现的。在那个例子中，LinkedList本身已经具备了创建堆栈所必需的的方法，而Stack可以通过两个泛型的类Stack<T>和LinkedList<T>的组合来创建。在那个示例中，我们可以看出，泛型类型也就是另一种类型罢了（稍后我们会看到一些例外的情况）。

现在我们不用LinkedList，来实现自己的内部链式存储机制。

public class LinkedStack<T> {
    	private static class Node<U> {
    		U item;
    		Node<U> next;
    
    		Node() {
    			item = null;
    			next = null;
    		}
    
    		Node(U item, Node<U> next) {
    			this.item = item;
    			this.next = next;
    		}
    
    		boolean end() {
    			return item == null && next == null;
    		}
    	}
    
    	private Node<T> top = new Node<>();
    
    	public void push(T item) {
    		top = new Node<T>(item, top);
    	}
    
    	public T pop() {
    		T result = top.item;
    		if (!top.end())
    			top = top.next;
    		return result;
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    		LinkedStack<String> lss = new LinkedStack<>();
    		for (String s : "Phasers on stun!".split(" "))
    			lss.push(s);
    		String s;
    		while ((s = lss.pop()) != null)
    			System.out.println(s);
    	}
    }

内部类Node也是一个泛型，它拥有自己的类型参数。

这个例子使用了一个末端哨兵（end sentinel）来判断堆栈何时为空。这个末端哨兵是在构造LinkedStack时创建的。然后，每调用一次push()方法，就会创建一个Node<T>对象，并将其链接到前一个Node<T>对象。当你调用pop()方法时，总是返回top.item，然后丢弃当前top所指的Node<T>，并将top转移到下一个Node<T>，除非你已经碰到了末端哨兵，这时候就不再移动top了。如果已经到了末端，客户端程序还继续调用pop()方法，它只能得到null，说明堆栈已经空了。

### 四、RandomList ###

作为容器的另一个例子，假设我们需要一个持有特定类型对象的列表，每次调用其上的select()方法时，它可以随机地选取一个元素。如果我们希望以此构建一个可以应用于各种类型的对象的工具，就需要使用泛型：

import java.util.ArrayList;
    import java.util.Random;
    
    public class RandomList<T> {
    	private ArrayList<T> storage = new ArrayList<>();
    	private Random r = new Random();
    
    	public void add(T item) {
    		storage.add(item);
    	}
    
    	public T select() {
    		return storage.get(r.nextInt(storage.size()));
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    		RandomList<String> rs = new RandomList<>();
    		for (String s : "The quick brown fox jumped over the lazy brown dog".split(" "))
    			rs.add(s);
    		for (int i = 0; i < 11; i++)
    			System.out.print(rs.select() + " ");
    	}
    }

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