【数据结构】泛型

傷城~ 2024-04-23 20:28 110阅读 0赞

> ⭐ 作者：小胡\_不糊涂  
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#### 泛型 ####

*  1. 包装类
 *   *  1.1 基本数据类型和对应的包装类
     *  1.2 装箱和拆箱
     *  1.3 自动装箱和拆箱
 *  2. 什么是泛型
 *   *  2.1 语法
 *  3. 泛型类的使用
 *  4. 泛型如何编译
 *   *  4.1 擦除机制
     *  4.2 为什么不能实例化泛型类型数组
 *  5. 泛型的上界
 *  6. 泛型方法
 *  7. 通配符
 *   *  7.1 通配符解决的问题
     *  7.2 通配符上界
     *  7.3 通配符下界

![在这里插入图片描述][7bbf61ab0a8a4af692bd36ea71009401.gif_pic_center]

## 1. 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。

### 1.1 基本数据类型和对应的包装类 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>基本数据类型</th> 
   <th>包装类</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>byte</td> 
   <td>Byte</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>short</td> 
   <td>Short</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int</td> 
   <td>Integer</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>long</td> 
   <td>Long</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>float</td> 
   <td>Float</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>double</td> 
   <td>Double</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>char</td> 
   <td>Character</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>boolean</td> 
   <td>Boolean</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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

### 1.2 装箱和拆箱 ###

int i = 10;
    
    // 装箱操作，新建一个 Integer 类型对象，将 i 的值放入对象的某个属性中
    Integer ii = Integer.valueOf(i);
    Integer ij = new Integer(i);
    
    // 拆箱操作，将 Integer 对象中的值取出，放到一个基本数据类型中
    int j = ii.intValue();

### 1.3 自动装箱和拆箱 ###

可以看到在使用过程中，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。

int i = 10;
    
    Integer ii = i; // 自动装箱
    Integer ij = (Integer)i; // 自动装箱
    
    int j = ii; // 自动拆箱
    int k = (int)ii; // 自动拆箱

有奖竞答：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);
    }

先看一下 Integer 的源码，可以知道被 Integer 修饰的变量取值范围是 -128~127。  
![在这里插入图片描述][6fed4f6f0e2148528d69d259c2f10476.png]  
**所以，答案应该是：**

![在这里插入图片描述][a1659859820a41219105dd435d8128e9.png]

## 2. 什么是泛型 ##

> **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。

首先解决这样一个问题：  
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？

按照我们之前的想法是使用数组，但数组只能存放指定类型的元素，例如：`int[] array = new int[10]; String[] strs = newString[10];`  
而且所有类的父类，默认为Object类。数组是否可以创建为Object?

class MyArray {
        
        public Object[] array = new Object[10];
        public Object getPos(int pos) {
        
            return this.array[pos];
        }
        public void setVal(int pos,Object val) {
        
            this.array[pos] = val;
        }
    }
    
    public class TestDemo {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            MyArray myArray = new MyArray();
            myArray.setVal(0,10);
            myArray.setVal(1,"hello");//字符串也可以存放
            String ret = myArray.getPos(1);//编译报错
            System.out.println(ret);
        }
    }

![在这里插入图片描述][9957fdc069a04e88b5574879c4ff91e4.png]  
上述代码中，虽然在 myArray 中任何类型的数据都可以存放，而且1号下标的元素是String类型的，但仍编译报错，此处必须进行强制类型转换。

> 虽然在这种情况下，当前数组任何数据都可以存放，但是，更多情况下，我们还是希望他只能够持有一种数据类型。而不是同时持有这么多类型。

> 所以，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> {
        
    }
    	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
    }

将上述代码进行改写如下：

class MyArray<T> {
        
    	public T[] array = (T[])new Object[10];//注释1
    	public T getPos(int pos) {
        
    	return this.array[pos];
    	}
    	public void setVal(int pos,T val) {
        
    	this.array[pos] = val;
    	}
    }
    
    public class TestDemo {
        
    	public static void main(String[] args) {
        
    		MyArray<Integer> myArray = new MyArray<>();//注释2
    		myArray.setVal(0,10);
    		myArray.setVal(1,12);
    		int ret = myArray.getPos(1);//注释3
    		System.out.println(ret);
    		myArray.setVal(2,"hello");//注释4
    	}
    }

代码解释：

1.  类名后的 代表占位符，表示当前类是一个泛型类。

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

1.  上面代码注释1处，不能new泛型类型的数组。

比如下面的语句就是不对的：

T[] ts = new T[5];//error

1.  注释2处，类型后加入 `<Integer>` 指定当前类型。
2.  注释3处，不需要进行强制类型转换。
3.  注释4处，代码编译报错，此时因为在注释2处指定类当前的类型，此时在注释4处，编译器会在存放元素的时候帮助我们进行类型检查。

## 3. 泛型类的使用 ##

**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

**示例：**

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

`?泛型只能接受类，所有的基本数据类型必须使用包装类！`

## 4. 泛型如何编译 ##

### 4.1 擦除机制 ###

通过cmd窗口的命令：javap -c 查看字节码文件，可见所有的T都是Object。

![在这里插入图片描述][f39d56e7957f4425b6c76bc5246638f8.png]  
**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。

### 4.2 为什么不能实例化泛型类型数组 ###

先看一段代码：

class MyArray<T> {
        
    	public T[] array = (T[])new Object[10];
    	public T getPos(int pos) {
        
    		return this.array[pos];
    	}
    	public void setVal(int pos,T val) {
        
    		this.array[pos] = val;
    	}
    	public T[] getArray() {
        
    		return array;
    	}
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        
    	MyArray<Integer> myArray1 = new MyArray<>();
    	Integer[] strings = myArray1.getArray();
    }
    
    /*
    Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: [Ljava.lang.Object; cannot be cast to [Ljava.lang.Integer;
    at TestDemo.main(TestDemo.java:31)
    */

报错原因：替换后的方法为：将Object\[\]分配给Integer\[\]引用，程序报错。  
在getArray()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

将上述代码修改为：

class MyArray<T> {
        
    	public T[] array;
    	public MyArray() {
        
    	}
    	
    	/**
    	* 通过反射创建，指定类型的数组
    	* @param clazz
    	* @param capacity
    	*/
    	public MyArray(Class<T> clazz, int capacity) {
        
    		array = (T[])Array.newInstance(clazz, capacity);
    	}
    	public T getPos(int pos) {
        
    		return this.array[pos];
    	}
    	public void setVal(int pos,T val) {
        
    		this.array[pos] = val;
    	}
    	public T[] getArray() {
        
    		return array;
    	}
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        
    	MyArray<Integer> myArray1 = new MyArray<>(Integer.class,10);
    	Integer[] integers = myArray1.getArray();
    }

## 5. 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。  
**语法：**

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

**示例：**

public class MyArray<E extends Number> {
        
    	...
    }

`?只接受 Number 的子类型作为 E 的类型实参`

MyArray<Integer> l1; // 正常，因为 Integer 是 Number 的子类型
    MyArray<String> l2; // 编译错误，因为 String 不是 Number 的子类型

`?没有指定类型边界 E，可以视为 E extends Object`

**复杂示例：**

public class MyArray<E extends Comparable<E>> {
        
    	...
    }

`?E必须是实现了Comparable接口的`

## 6. 泛型方法 ##

**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) {
         ... }

**示例1：**

public class Util {
        
    	//静态的泛型方法 需要在static后用<>声明泛型类型参数
    	public static <E> void swap(E[] array, int i, int j) {
        
    		E t = array[i];
    		array[i] = array[j];
    		array[j] = t;
    	}
    }

**示例2：可以类型推导**

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

**示例3：不使用类型推导**

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

## 7. 通配符 ##

`?` 用于在泛型的使用，即为通配符

### 7.1 通配符解决的问题 ###

下面这段代码能够正常打印：

class Message<T> {
        
        private T message ;
        public T getMessage() {
        
            return message;
        }
        public void setMessage(T message) {
        
            this.message = message;
        }
    }
    public class Main {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            Message<String> message = new Message<>() ;
            message.setMessage("Helloworld");
            fun(message);
        }
        public static void fun(Message<String> temp){
        
            System.out.println(temp.getMessage());
        }
    }

但是，如果现在泛型的类型设置的不是String，而是Integer，还能打印吗？  
![在这里插入图片描述][5e7f34d14a4e4b4ab01386996ccd3645.png]  
**这是因为fun方法只能接收String类型的数据**

为了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  
**例如：**

public class Main {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            Message<Integer> message = new Message() ;
            message.setMessage(55);
            fun(message);
        }
        // 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
        public static void fun(Message<?> temp){
        
            //temp.setMessage(100); 无法修改！
            System.out.println(temp.getMessage());
        }
    }

> 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

### 7.2 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

![在这里插入图片描述][8a9df6645dd6474d83745edbf6fb4cf8.png]  
实现上图的关系：

class Food {
        
    }
    class Fruit extends Food {
        
    }
    class Apple extends Fruit {
        
    }
    class Banana extends Fruit {
        
    }
    
    class Message<T> {
         // 设置泛型
    	private T message ;
    	public T getMessage() {
        
    		return message;
    		}
    	public void setMessage(T message) {
        
    		this.message = message;
    	}
    }
    
    public class TestDemo {
        
    	public static void main(String[] args) {
        
    		Message<Apple> message = new Message<>() ;
    		message.setMessage(new Apple());
    		fun(message);
    		Message<Banana> message2 = new Message<>() ;
    		message2.setMessage(new Banana());
    		fun(message2);
    	}
    	// 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
    	public static void fun(Message<? extends Fruit> temp){
        
    		//temp.setMessage(new Banana()); //仍然无法修改！
    		//temp.setMessage(new Apple()); //仍然无法修改！
    		System.out.println(temp.getMessage());
    	}
    }

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：

public static void fun(Message<? extends Fruit> temp){
        
    	//temp.setMessage(new Banana()); //仍然无法修改！
    	//temp.setMessage(new Apple()); //仍然无法修改！
    	Fruit b = temp.getMessage();
    	System.out.println(b);
    }

通配符的上界，不能进行写入数据，只能进行读取数据。

### 7.3 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

![在这里插入图片描述][e48146e2971f40cdaeee97bedaf811ba.png]  
实现上图关系：

class Food {
        
    }
    class Fruit extends Food {
        
    }
    class Apple extends Fruit {
        
    }
    
    class Plate<T> {
        
    	private T plate ;
    	public T getPlate() {
        
    		return plate;
    	}
    	public void setPlate(T plate) {
        
    		this.plate = plate;
    	}
    }
    
    public class TestDemo {
        
    	public static void main(String[] args) {
        
    		Plate<Fruit> plate1 = new Plate<>();
    		plate1.setPlate(new Fruit());
    		fun(plate1);
    		Plate<Food> plate2 = new Plate<>();
    		plate2.setPlate(new Food());
    		fun(plate2);
    	}
    	public static void fun(Plate<? super Fruit> temp){
        
    		// 此时可以修改！！添加的是Fruit 或者Fruit的子类
    		temp.setPlate(new Apple());//这个是Fruit的子类
    		temp.setPlate(new Fruit());//这个是Fruit的本身
    		//Fruit fruit = temp.getPlate(); 不能接收，这里无法确定是哪个父类
    		System.out.println(temp.getPlate());//只能直接输出
    	}
    }

通配符的下界，不能进行读取数据，只能写入数据。

[Link 1]: https://blog.csdn.net/iLoyo_
[Link 2]: http://t.csdnimg.cn/pu3jy
[7bbf61ab0a8a4af692bd36ea71009401.gif_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/98207af0630f4526950d13db888f2152.gif
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[a1659859820a41219105dd435d8128e9.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/d0f3133ec14e4faf80f274d021450333.png
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[f39d56e7957f4425b6c76bc5246638f8.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/7446d120a29e4fec823f0f5d8a9ffbb3.png
[5e7f34d14a4e4b4ab01386996ccd3645.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/20244da160774e3a9b507a2bdb563821.png
[8a9df6645dd6474d83745edbf6fb4cf8.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/477241a535fc43f98af1f34a12d45112.png
[e48146e2971f40cdaeee97bedaf811ba.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/7859182a636646f6b4ee462498b0ace7.png