这样学 Java 泛型，秒懂！

 

作者 | 沉默王二

本文经授权转载自沉默王二（ID：cmower）

故事的起源

“二哥，要不我上大学的时候也学习编程吧？”有一天，三妹突发奇想地问我。

“你确定要做一名程序媛吗？”

“我觉得女生做程序员，有着天大的优势，尤其是我这种长相甜美的。”三妹开始认真了起来。

“好像是啊，遇到女生提问，我好像一直蛮热情的。”

“二哥，你不是爱好写作嘛，还是一个 Java 程序员，不妨写个专栏，名字就叫《教妹学 Java》。

“真的很服气你们零零后，蛮有想法的。刚好我最近在写 Java 系列的专栏，不妨试一试！”

PS：亲爱的读者朋友们，我们今天就从晦涩难懂的“泛型”开始吧！（子标题是三妹提出来的，内容由二哥我来回答）

二哥，为什么要设计泛型啊？

三妹啊，听哥慢慢给你讲啊。

Java 在 5.0 时增加了泛型机制，据说专家们为此花费了 5 年左右的时间（听起来很不容易）。有了泛型之后，尤其是对集合类的使用，就变得更规范了。

看下面这段简单的代码。

ArrayList list = new ArrayList();
list.add("沉默王二");
String str = list.get(0);

但在没有泛型之前该怎么办呢？

首先，我们需要使用 Object 数组来设计 Arraylist 类。

class Arraylist {
    private Object[] objs;
    private int i = 0;
    public void add(Object obj) {
        objs[i++] = obj;
    }

    public Object get(int i) {
        return objs[i];
    }
}

然后，我们向 Arraylist 中存取数据。

Arraylist list = new Arraylist();
list.add("沉默王二");
list.add(new Date());
String str = (String)list.get(0);

你有没有发现两个问题：

• Arraylist 可以存放任何类型的数据（既可以存字符串，也可以混入日期），因为所有类都继承自 Object 类。

• 从 Arraylist 取出数据的时候需要强制类型转换，因为编译器并不能确定你取的是字符串还是日期。

对比一下，你就能明显地感受到泛型的优秀之处：使用类型参数解决了元素的不确定性——参数类型为 String 的集合中是不允许存放其他类型元素的，取出数据的时候也不需要强制类型转换了。

二哥，怎么设计泛型啊？

三妹啊，你一个小白只要会用泛型就行了，还想设计泛型啊？！不过，既然你想了解，那么哥义不容辞。

首先，我们来按照泛型的标准重新设计一下 Arraylist 类。

class Arraylist {
    private Object[] elementData;
    private int size = 0;

    public Arraylist(int initialCapacity) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    public boolean add(E e) {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }
}

一个泛型类就是具有一个或多个类型变量的类。Arraylist 类引入的类型变量为 E（Element，元素的首字母），使用尖括号 括起来，放在类名的后面。

然后，我们可以用具体的类型（比如字符串）替换类型变量来实例化泛型类。

Arraylist list = new Arraylist();
list.add("沉默王三");
String str = list.get(0);

Date 类型也可以的。

Arraylist list = new Arraylist();
list.add(new Date());
Date date = list.get(0);

其次，我们还可以在一个非泛型的类（或者泛型类）中定义泛型方法。

class Arraylist {
    public  T[] toArray(T[] a) {
        return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
    }
}

不过，说实话，泛型方法的定义看起来略显晦涩。来一副图吧（注意：方法返回类型和方法参数类型至少需要一个）。

现在，我们来调用一下泛型方法。

Arraylist list = new Arraylist(4);
list.add("沉");
list.add("默");
list.add("王");
list.add("二");

String [] strs = new String [4];
strs = list.toArray(strs);

for (String str : strs) {
    System.out.println(str);
}

最后，我们再来说说泛型变量的限定符 extends。在解释这个限定符之前，我们假设有三个类，它们之间的定义是这样的。

class Wanglaoer {
    public String toString() {
        return "王老二";
    }
}

class Wanger extends Wanglaoer{
    public String toString() {
        return "王二";
    }
}

class Wangxiaoer extends Wanger{
    public String toString() {
        return "王小二";
    }
}

我们使用限定符 extends 来重新设计一下 Arraylist 类。

class Arraylist {
}

当我们向 Arraylist 中添加 Wanglaoer 元素的时候，编译器会提示错误：Arraylist 只允许添加 Wanger 及其子类 Wangxiaoer 对象，不允许添加其父类 Wanglaoer。

Arraylist list = new Arraylist(3);
list.add(new Wanger());
list.add(new Wanglaoer());
// The method add(Wanger) in the type Arraylist is not applicable for the arguments 
// (Wanglaoer)
list.add(new Wangxiaoer());

也就是说，限定符 extends 可以缩小泛型的类型范围。

二哥，听说虚拟机没有泛型？

三妹，你功课做得可以啊，连虚拟机都知道了啊。哥可以肯定地回答你，虚拟机是没有泛型的。

啰嗦一句哈。我们编写的 Java 代码（也就是源码，后缀为 .java 的文件）是不能够被操作系统直接识别的，需要先编译，生成 .class 文件（也就是字节码文件）。然后 Java 虚拟机（JVM）会充当一个翻译官的角色，把字节码翻译给操作系统能听得懂的语言，告诉它该干嘛。

怎么确定虚拟机没有泛型呢？我们需要把泛型类的字节码进行反编译——强烈推荐超神反编译工具 Jad ！

现在，在命令行中敲以下代码吧（反编译 Arraylist 的字节码文件 Arraylist.class）。

jad Arraylist.class

命令执行完后，会生成一个 Arraylist.jad 的文件，用文本编辑工具打开后的结果如下。

// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3) 
// Source File Name:   Arraylist.java

package com.cmower.java_demo.fanxing;

import java.util.Arrays;

class Arraylist
{

    public Arraylist(int initialCapacity)
    {
        size = 0;
        elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    public boolean add(Object e)
    {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    Object elementData(int index)
    {
        return elementData[index];
    }

    private Object elementData[];
    private int size;
}

类型变量 消失了，取而代之的是 Object ！

既然如此，那如果泛型类使用了限定符 extends，结果会怎么样呢？我们先来看看 Arraylist2 的源码。

class Arraylist2 {
    private Object[] elementData;
    private int size = 0;

    public Arraylist2(int initialCapacity) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    public boolean add(E e) {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }
}
字节码文件 Arraylist2.class 使用 Jad 反编译后的结果如下。
// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3) 
// Source File Name:   Arraylist2.java

package com.cmower.java_demo.fanxing;


// Referenced classes of package com.cmower.java_demo.fanxing:
//            Wanger

class Arraylist2
{

    public Arraylist2(int initialCapacity)
    {
        size = 0;
        elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    public boolean add(Wanger e)
    {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    Wanger elementData(int index)
    {
        return (Wanger)elementData[index];
    }

    private Object elementData[];
    private int size;
}

类型变量 不见了，E 被替换成了 Wanger。

通过以上两个例子说明，Java 虚拟机会将泛型的类型变量擦除，并替换为限定类型（没有限定的话，就用 Object）。

二哥，类型擦除会有什么问题吗？

三妹啊，你还别说，类型擦除真的会有一些“问题”。

我们来看一下这段代码。

public class Cmower {

    public static void method(Arraylist list) {
        System.out.println("Arraylist list");
    }

    public static void method(Arraylist list) {
        System.out.println("Arraylist list");
    }

}

在浅层的意识上，我们会想当然地认为 Arraylist list 和 Arraylist list 是两种不同的类型，因为 String 和 Date 是不同的类。

但由于类型擦除的原因，以上代码是不会通过编译的——编译器会提示一个错误（这正是类型擦除引发的那些“问题”）：

Erasure of method method(Arraylist) is the same as another method in type Cmower

Erasure of method method(Arraylist) is the same as another method in type Cmower

大致的意思就是，这两个方法的参数类型在擦除后是相同的。

也就是说，method(Arraylist list) 和 method(Arraylist list) 是同一种参数类型的方法，不能同时存在。类型变量 String 和 Date 在擦除后会自动消失，method 方法的实际参数是 Arraylist list。

有句俗话叫做：“百闻不如一见”，但即使见到了也未必为真——泛型的擦除问题就可以很好地佐证这个观点。

二哥，听说泛型还有通配符？

三妹啊，哥突然觉得你很适合作一枚可爱的程序媛啊！你这预习的功课做得可真到家啊，连通配符都知道！

通配符使用英文的问号（?）来表示。在我们创建一个泛型对象时，可以使用关键字 extends 限定子类，也可以使用关键字 super 限定父类。

为了更好地解释通配符，我们需要对 Arraylist 进行一些改进。

class Arraylist {
    private Object[] elementData;
    private int size = 0;

    public Arraylist(int initialCapacity) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    public boolean add(E e) {
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    public E get(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

    public int indexOf(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int i = 0; i