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Java 数据结构 ---》 泛型

news 来源：原创 2024/4/29 17:37:40

作者 ：ふり

专栏 ：数据结构与算法

格言 ： I came ; I saw ; I conquer

文章目录

  • 一、 什么是泛型
  • 二、引出泛型
    • 2.1 语法
    • 2.2 泛型存在的意义
  • 三、 泛型类的使用
    • 3.1 语法
    • 3.2 类型推导(Type Inference)
  • 四、裸类型(Raw Type) （了解）
    • 4.1 说明
  • 五、泛型如何编译的
    • 5.1 擦除机制
    • 5.2 为什么不能实例化泛型类型数组
  • 六、泛型的上界
    • 6.1 语法
    • 6.2 示例
    • 6.3 复杂示例
  • 七、泛型方法
    • 7.1 定义语法
    • 7.2 示例
  • 八、通配符
    • 8.1 通配符解决什么问题
    • 8.2 通配符上界
    • 8.3 通配符下界
  • 九、包装类
    • 9.1 基本数据类型和对应的包装类
    • 9.2 装箱和拆箱
    • 【面试题】

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，
  1. 通俗讲，泛型：就是适用于许多许多类型。
  2. 从代码上讲，就是对类型实现了参数化。

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

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // JVM 会做出改变，放进数组中
       Object[] arr = {1,2,3,4,'a',"asd"};
    }
}
  • 这样是不好的，当你用 String 类型的时使用，就算你强制类型转换，里面不一定都是你所需要的 String 类型，可能会有别的类型，会报错！！！
  • 数组不允许强转
  • 存放元素的时候，任何类型的数据都可以存放
  • 取出元素的时候，要自己强转
public class Test {
    public Object[] arr = new Object[10];

    //在指定下标存放一个元素
    public void setVal(int pos,Object val) {
        arr[pos] = val;
    }
    //得到指定下标的元素
    public Object getPos(int pos) {
        return arr[pos];
    }
    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        test.setVal(0,6);
        test.setVal(1,"鸡");

        //getpos 的返回值 是 Object ,你用的 String 类型接收，报错
        //String str = test.getPos(1);
        
        //所以进行强转
        String str1 = (String) test.getPos(1);
    }
}

问题：以上代码实现后 发现

  1. 任何类型数据都可以存放
  2. 1号下标本身就是字符串，但是确编译报错。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
}


//一个泛型类的参数列表  可以指定多个参数类型
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
}
  • 上述代码进行改写如下
//  <T>  ： 占位符 =》 当前类是一个泛型类
class Test<T>{
    public T[] arr = (T[]) new Object[10];  //1

    public void setVal(int pos,T val) {
        arr[pos] = val;
    }

    public T getPos(int pos) {
        return arr[pos];
    }
    public static void main(String[] args) {
        Test<Integer> test = new Test<Integer>();  //2
        test.setVal(0,6);
        test.setVal(1,10);
        Integer str = test.getPos(1);  //3
        test.setVal(2,"bit");//4
        System.out.println(str);

        Test<String> test1 = new Test<String>();
        test1.setVal(2,"王氏鸡");
        String str1 = test1.getPos(2);   
        System.out.println(str1);
    }
}

//10
//王氏鸡
  1. 类名后的 <T> 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
  1. 不能new泛型类型的数组
T[] ts = new T[5];//是不对的

代码：T[] array = (T[])new Object[10];是否就足够好，答案是未必的。这块问题一会儿介绍

  1. 注释2处，类型后加入 <Integer> 指定当前类型 ，一定是类类型，不可以是基本类型
  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。

2.2 泛型存在的意义

1.存放元素的时候会进行类型的检查
2. 去除元素的时候，会自动进行类型转换，不需要自己进行强转。
3.泛型是编译是的一种机制 =》 擦除机制

三、 泛型类的使用

3.1 语法

在这里插入图片描述

  • 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！

3.2 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 String

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();

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
下面的类型擦除部分，我们也会讲到编译器是如何使用裸类型的。

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

那么，泛型到底是怎么编译的？这个问题，也是曾经的一个面试问题。泛型本质是一个非常难的语法，要理解好他还是需要一定的时间打磨。

通过命令：javap -c 查看字节码文件，所有的T都是Object。
在这里插入图片描述在编译的过程当中，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 = newObject[5]吗？
  2. 类型擦除，一定是把T变成Object吗？

5.2 为什么不能实例化泛型类型数组


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)
*/

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;
    }

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Intefer类型的数组，编译器认为是不安全的。

正确的方式：【了解即可】


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();
    }

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> {
   ...
}

6.2 示例

public class MyArray<E extends Number> {
   ...
}
  • 只接受 Number 的子类型作为 E 的类型实参

在这里插入图片描述

  • 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>> {
   ...
}
  • E必须是实现了Comparable接口的

比较自定义类数组的成员大小

class MyArray <T extends Comparable<T>> {
    public T findMax (T[] arr) {
        T max = arr[0];
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            if(max.compareTo(arr[i]) < 0) {
                max = arr[i];
            }
        }
        return max;
    }
}
class Person implements Comparable<Person> {
    public int age;

    public Person(int age) {
        this.age = age;
    }

    @Override
    public int compareTo(Person o) {
        return this.age - o.age;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "age=" + age +
                '}';
    }
}
public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        MyArray<Person> myArray = new MyArray<>();
        Person[] people = {new Person(10),new Person(20)};
        Person person = myArray.findMax(people);
        System.out.println(person);
    }
}

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) { ... }

7.2 示例

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<Student> 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.
  • 程序会带来新的问题，如果现在泛型的类型设置的不是String，而是Integer.
  • 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
    范例：使用通配符

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

在这里插入图片描述

class Food {

}
class Fruit extends Food {

}
class Apple extends Fruit {

}
class Banana extends Fruit {

}
class Plate<T> {
    private T plate;
    public T getPlate() {
        return plate;
    }

    public void setPlate(T plate) {
        this.plate = plate;
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Plate<Apple> plate1 = new Plate<>();
        plate1.setPlate(new Apple());
        fun(plate1);
        Plate<Banana> plate2 = new Plate<>();
        plate2.setPlate(new Banana());
        fun(plate2);
    }
 // 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(Plate<? extends Fruit> temp){
   //temp.setPlate(new Banana()); //仍然无法修改！
    //temp.setPlate(new Apple()); //仍然无法修改！
  System.out.println(temp.getPlate());
  }
   
}
  • 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(Plate<? extends Fruit> temp) {
        //temp.setPlate(new Banana()); //仍然无法修改！
        //temp.setPlate(new Apple()); //仍然无法修改！
        Fruit b = temp.getPlate();
        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

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

在这里插入图片描述

class Food {

}
class Fruit extends Food {

}
class Apple extends Fruit {

}
class Banana extends Fruit {

}
class Plate<T> {
    private T plate;
    public T getPlate() {
        return plate;
    }

    public void setPlate(T plate) {
        this.plate = plate;
    }
}

public class Test {
    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) {
        //不能存放 Fruit 的父类
        temp.setPlate(new Fruit());
        temp.setPlate(new Apple());
        temp.setPlate(new Banana());
        //不能取数据，这里无法确定是哪个父类（不清楚具体的数据类型）
        //Fruit fruit = temp.getPlate();
        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。

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

基本数据类型包装类
byteByte
shortShort
intIntger
longLong
floatFloat
doubleDouble
charCharacter
booleanBoolean
  • 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

在这里插入图片描述

【面试题】

  • 下列代码输出什么，为什么？
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Integer a = 127;    //涉及到了装包的问题
        Integer b = 127;

        System.out.println(a == b);

        Integer c = 128;
        Integer d = 128;

        System.out.println(c == d);
    }
}

在这里插入图片描述

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