Java数据结构与算法分析-第一章（引论）-Java中的范型<T,E>构件

一、为什么需要使用范型？

　　官方的说法是：Java 泛型（generics）是 JDK 5 中引入的一个新特性, 泛型提供了编译时类型安全检测机制，该机制允许程序员在编译时检测到非法的类型。

泛型的本质是参数化类型，也就是说所操作的数据类型被指定为一个参数。

　　说明一下：在没有范型或者不使用范型的时候，下面给出一个假设：

　　　　　Person类的构造器：public Person(Object o){this.o=o}

　　　我们编码的时候实例化一个类的实例（含参数）：Person  p1=new Person(1），　Person  p1=new Person("小风微凉"）;

　　   那么问题来了，我们知道传入的参数被传递给了Person的o属性，由于传入的类型都是Object的子类型，所以编译的时候是没有问题的，此时看不到错误，但是我们  并不知道这个属性o会做如何的处理，这个处理就会对数据的类型有着严格的要求了，当然处理的时候也不会编译报错，毕竟是Object类型，但是会在jvm调用执行的时候报错：ClassCastException

    所以：使用范型的好处之一就是：把报错的时机，从运行时提前到了编译时，这样更有利于我们编码。

　　　　并且，范型具有自动装箱拆箱的功能。

二、举个例子分析一下

不使用范型的例子就太多了，这里我直接使用范型，在使用中说明一下我的发现。

（1）定义一个范型接口：GenericInterface<T>：这种用法，在前一篇介绍ArrayList源码的时候就多次出现过。

 package com.xfwl.generics;
 /**
  * 数据结构与算法分析：第一章
  * @function  泛型结构（jre1.5及以上）
  * @author 小风微凉
  * @time  2018-5-6 下午12:51:45
  * @param <T>
  */
 public interface GenericInterface<T> {
     //定义一个属性
     public static int INT_1=1;
     /**
      * 接口中定义的范型方法
      * @param t 传入参数范型类型T
      * @return 返回范型类型T
      */
     public T fun_1(T t);
 }

说明一下：

　　在定义这个范型接口的时候，我发现定义属性的时候：不能使用范型！

　　原因：因为接口中的属性的默认修饰符为：public static  ,而Java的泛型是擦除机制，所以不能被static修饰为共有部分，因此编译不会通过。

（2）定义一个范型类：GenericClass<T,E>

 package com.xfwl.generics;
 /**
  * 数据结构与算法分析：第一章
  * @function  泛型类（jre1.5及以上）
  * @author 小风微凉
  * @time  2018-5-6 下午12:39:08
  */
 @SuppressWarnings("unchecked")
 public class GenericClass<T,E> implements GenericInterface<T> {
     private T att1;//属性1
     public String att2;//属性2
     private GenericClass generic=null;
     public GenericClass(T t){
         this.att1=t;
     }
     //单例模式-懒汉式:范型不能用于static修饰的属性或方法中
     public GenericClass getSingleInstence(T t){
         if(generic==null){
             generic=new GenericClass<T,E>(t);
         }
         return generic;
     }
     /**
      * 接口中实现方法
      */
     public T fun_1(T t) {
         System.out.println("fun_1()输出："+t);
         return null;
     }
     /**
      * 当前类中的方法
      * @param e    传递过来的类型
      * @return    返回范型E
      */
     public E fun_2(E e){
         System.out.println("fun_2()输出："+e);
         return e;
     }
 }

说明一下：

　　定义范型类的时候，可以直接实现范型接口：implements GenericInterface<T>，而泛型类中的范型也可允许为多个即： GenericClass<T,E>，但是需要注意的一点是：范型类中的范型必须包含范型接口中的范型，原因很简单，既然实现了接口，就必须重写接口里面的方法，而这些方法就使用了范型接口中的范型，所以就这样喽！同样的，范型类中不可以使用static去修饰范型属性。

（3）范型的使用

定义了一个使用范型的类：

 package com.xfwl.generics;
 public class Test {
     /**
      * @param args
      */
     public static void main(String[] args) {
         //不使用范型
         GenericClass g_4=new GenericClass("type_String");
         //使用范型：三种方法均可
         GenericClass<String, Integer> g_1=new GenericClass<String, Integer>("type_String");
         GenericClass<String, Integer> g_2=new GenericClass("type_String");
         GenericClass<String, Integer> g_3=new GenericClass<>("type_String");//jre1.7及以上:菱形运算符
         //开始调用方法
         g_1.fun_1("g_1_1");//jre1.5及以上
         g_1.fun_2(1);

         g_2.fun_1("g_2_1");//jre1.5及以上
         g_2.fun_2(2);

         g_3.fun_1("g_3_1");//jre1.7及以上
         g_3.fun_2(3);

     }
 }

先运行一下，看下运行结果：

fun_1()输出：g_1_1
fun_2()输出：1
fun_1()输出：g_2_1
fun_2()输出：2
fun_1()输出：g_3_1
fun_2()输出：3

说明一下：

　　上面三种方法都可以拿到范型类的对象，并且都可以正常运行。

那么来看看，这三个对象在调用范型类的范型方法的时候，编译器是如何处理的!!!

(1)使用范型，编译器是如何处理的？

//使用范型：三种方法均可
        GenericClass<String, Integer> g_1=new GenericClass<String, Integer>("type_String");
        GenericClass<String, Integer> g_2=new GenericClass("type_String");
        GenericClass<String, Integer> g_3=new GenericClass<>("type_String");//jre1.7及以上:菱形运算符
        //开始调用方法
        g_1.fun_1("g_1_1");//jre1.5及以上
        g_1.fun_2(1);

        g_2.fun_1("g_2_1");//jre1.5及以上
        g_2.fun_2(2);

        g_3.fun_1("g_3_1");//jre1.7及以上
        g_3.fun_2(3);

如下图：

　　

从上图可以很明显的看到，在编译的时候，编译器就已经为范型确定了指定的类型，这个时候如果我们想要使用这些方法，就必须按照指定的类型进行传参，否则编译报错。

以此类推，g_2,g_3对象都是这样的情况。

（2）继续看一下：如果不使用范型，编译是如何让处理的呢？

//不使用范型
        GenericClass g_4=new GenericClass("type_String");

如下图所示：

可以看到，在实例化范型类的时候，并没有指定类型，然后直接调用范型类中的范型方法，编译器没有找到指定的类型，就默认为Object基类来处理了！

这样的话，就会出现，传入各种引用类型均不会编译报错，但是在方法体中处理这些数据的时候，有可能出现数据类型转换失败的异常：ClassCastException。

而如果使用了范型，就可以在编译的时候抛出异常，更方便我们编码，效果会好很多。

 三、范型的扩展

先补充一个知识点：

　　Java中数组具有“协变性”，但是集合Collection不具有协变性。

　　“协变性”：可以理解为兼容性。

　数组的协变性的简单案例如下：　　

 package com.xfwl.generics;
 /**
  * 数据结构与算法分析：第一章
  * @function  数组类型的兼容性
  * @author 小风微凉
  * @time  2018-5-6 下午1:26:52
  */
 public class ArrayParent {}

 package com.xfwl.generics;
 public class Test {
     /**
      * @param args
      */
     public static void main(String[] args) {
         //验证数组具有兼容性
         //创建三个数组
         ArrayParent[] par={};
         ArraySon_1[] son1={};
         ArraySon_2[] son2={};

         //开始测试
         fun_3(par);
         fun_3(son1);
         fun_3(son2);
     }
     private static void fun_3(ArrayParent[] arr){}  
     private class  ArraySon_1 extends ArrayParent{}
     private class  ArraySon_2 extends ArrayParent{}
 }

 （1）带有限制的通配符

　　由上面可以看出数组具有协变性，导致代码得以编译，不会在编译的时候报红，因为真正地在进行类型转换是在JVM运行的时候，如果此时有问题，会产生一个运行时异常（一个ArrayStoreException)。而使用范型的全部原因就在于产生编译器错误，而不是类型不匹配的运行时异常。所以范型集合是不协变的。

　　所以可以存在：传入数组参数（支持协变性）　　

private static void fun_3(ArrayParent[] arr){}  

　　却不能写成：　

private static void fun_3(Collection<ArrayParent> arr){}  
说明：如果按照上面这行代码的效果，我们调用fun_3(...)的时候就只能传参：Collection<ArrayParent>这种类型的参数，而不支持Collection<ArraySon_1>这种类型的参数

　　现在的问题是，范型（以及范型集合）不是协变性的（但有意义），而数组是协变性的。若无附加的语法，则用户就会避免使用集合Collection,因为失去协变性使得代码缺少灵活性。

Java5中的“通配符”来弥补这个不足，通配符用来表示参数类型的子类（或者超类）。

　现在贴出一个例子：　　

 package com.xfwl.generics;

 import java.util.ArrayList;
 import java.util.Collection;
 import java.util.Iterator;

 /**
  * 数据结构与算法分析：第一章
  * @function  范型通配符
  * @author 小风微凉
  * @time  2018-5-6 下午2:46:56
  */
 public class Test2<T> {

     public static void main(String[] args) {
         System.out.println("***【1】***********************");
         //开始测试：范型的通配符
         Collection<ArrayParent> list=new ArrayList<>();
         list.add(new ArrayParent());
         list.add(new ArraySon_1());
         list.add(new ArraySon_2());
         fun_4(list);
         Collection<ArraySon_1> list2=new ArrayList<>();
         list2.add(new ArraySon_1());
         fun_4(list2);//编译通过，运行正常

         System.out.println("***【2】***********************");
         //测试?extends T
         Collection<ArraySon_1> list3=new ArrayList<>();
         list3.add(new ArraySon_1());
         fun_5(list3);//编译通过，运行正常

         System.out.println("***【3】***********************");
         Collection<ArrayParent> list4=new ArrayList<>();
         list4.add(new ArrayParent());
         fun_6(list4);//编译通过
         //fun_6(list3);//编译不通过，报错The method fun_6(Collection<? super Test2.ArraySon_2>) in the type Test2<T> is not applicable for the arguments (Collection<Test2.ArraySon_1>)
     }
     private static void fun_3(ArrayParent[] arr){}
     @SuppressWarnings("unused")
     private static void fun_4(Collection<?> arr){//？表示随便什么类型
         Iterator<?> it= arr.iterator();
         for(;it.hasNext();){
             System.out.println(it.next().toString());
         }
     }
     @SuppressWarnings("unused")
     private static void fun_5(Collection<? extends ArrayParent> arr){//？表示ArrayParent的子类
         Iterator<?> it= arr.iterator();
         for(;it.hasNext();){
             System.out.println(it.next().toString());
         }
     }
     @SuppressWarnings("unused")
     private static void fun_6(Collection<? super ArraySon_2> arr){//？表示ArraySon_2的超类
         Iterator<?> it= arr.iterator();
         for(;it.hasNext();){
             System.out.println(it.next().toString());
         }
     }
     private static class  ArraySon_1 extends ArrayParent{
         @Override
         public String toString() {
             return "ArraySon_1_toString()";
         }
     }
     private static class  ArraySon_2 extends ArrayParent{
         @Override
         public String toString() {
             return "ArraySon_2_toString()";
         }
     }
 }

看一下运行结果：

***【1】***********************
com.xfwl.generics.ArrayParent@626b2d4a
ArraySon_1_toString()
ArraySon_2_toString()
ArraySon_1_toString()
***【2】***********************
ArraySon_1_toString()
***【3】***********************
com.xfwl.generics.ArrayParent@5e91993f

值得说明的是:

　（1）通配符指的是“?”，不信？那么如果把参数：Collection<?> arr    改为：Collection<T> arr,会出现什么情况呢？

　　　　经过我的测试如下图：

　　

Cannot make a static reference to the non-static type T

翻译之后：“ 不能对非静态类型T进行静态引用”

那么修改一下代码：但是这就牵扯到了范型的另外一个用法：范型的static方法，如下

（2）范型的static方法

　　上面的代码中，我们知道，范型不能应用与一般的static方法结构的方法定义中。如果一定要使用范型的static方法，则必须按照固定的格式去定义才可以通过编译。

　　static方法固定格式：

　　　　访问权限修饰符  static  <范型T,...>  返回类型  方法名称（范型T t）{}

　　根据上面的格式：简单罗列几种可能出现的方法定义的样式：如下　　

/**
     * 范型static方法
     *     格式：一定要在static后面跟上<范型>才不会编译报错
     */
    public static <T> void fun_7(T t) {
        System.out.println("fun_7()输出："+t);
    }

    public static <T> T fun_8(T t) {
        System.out.println("fun_8()输出："+t);
        return t;
    }

　　所以：此时就可以改造一下上面范型类：GenericClass<T,E>中的单例模式的代码了！

private static GenericClass generic=null;
    private GenericClass(T t){
        this.att1=t;
    }
    //单例模式-懒汉式:范型不能用于static修饰的属性或方法中
    public static <T,E> GenericClass getSingleInstence(T t){
        if(generic==null){
            generic=new GenericClass<T,E>(t);
        }
        return generic;
    }

分析一下：

　　从上面代码可以看到：静态方法getSingleInstence(T t)的修饰符<T,E>有范型T和范型E两种范型，而方法体中，也使用到了范型T和范型E。

或许你会有点好奇，既然泛型类：GenericClass<T,E>中已经申明了范型E,那么方法getSingleInstence(T t)的范型修饰符中能不能不用到E,或者T呢？

带着这个疑问，继续测试一下：

　　

从上面两个截图中就可以看出来：范型static方法，必须在static后面紧接着跟上 这个方法体和参数定义中的范型类型，缺一不可。

但是顺序是可以不固定的：如下：

public static <E,T> GenericClass getSingleInstence(T t){}
或者
public static <T,E> GenericClass getSingleInstence(T t){}

(3) 范型类型的限定

　　类型限界在尖括号内指定，它指参数类型必须具有的性质。

　　这里有一个看起来非常浮复杂的方法定义语句，但是关于范型最复杂的方法定义语句，估计也就是这个样子的了。

 /**
      * 求数组中的最大值
      * @param arr 范型数组
      * @return    返回的最大值
      */
     public static <T extends Comparable<? super T>,E> T findMax(T[] arr){
         int maxIndex=0;
         for(int i=0;i<arr.length;i++){
             if(arr[i].compareTo(arr[maxIndex])>0){
                 maxIndex=i;
             }
         }
         return arr[maxIndex];
     }

简单分析一下上面这个方法吧！

其实，如果经过上面的各个案例的分析说明，这个方法的定义格式就很好理解了。

（1）理解：Comparable<? super T>

　　含义：理解之前需要了解Compareable这个接口是怎样的：

public interface Comparable<T> {

然后Comparable<? super T>，表示Compareable这个接口的比较类型?(通配符）是一个范型类T的父类。

（2）理解：T extends Comparable<? super T>

含义：表示实现了一个类型T,该类型T是Compareable接口实现类的子类,该Compareable接口实现类的比较类型是T的父类（超类或基类）。

　　　　　（好像是有点绕啊，有更好的理解，欢迎指点。）

（3）理解：<T extends Comparable<? super T>,E>

含义：声明两种范型类型

（4）理解：T[] arr

　　含义：传入的参数，范型T的数组

（5）理解:findMax方法体

　　含义：比较找出当前数组中的最大的数据。运用了CompareTo方法，需要说明的是，当前的范型T的对象，都是实现了接口Compareable的类的对象。

（4）范型的类型擦除

　　 范型在很大程度上是Java语言中的成分而不是虚拟机中的结构，范型可以由编译器通过所谓的“类型擦除”（type erasure）过程而转变成非泛型类。这样，编译器就生产一种与范型类同名的原始类，

但是类型参数都被删除了。类型变量由他们的类型限界来代替，当一个具有擦除返回类型的范型方法被调用的时候，一些特性被自动地插入。如果使用一个范型类而不带类型参数，那么使用的是原始类。

　　类型擦除的一个重要的推论是，所生产的代码与程序员在范型之前所写的代码并没有太多的差异，而且事实上运行的也并不快。其显著地优点在于，程序员不比把一些类型转换放到代码中，编译器经进行重要的类型检查。

（5）对于范型的限制

　　对于范型有许多的限制，由于类型擦除的原因，这里列出的每一个限制都必须遵守。

• 基本类型

　　　　基本类型不能用作类型参数，因此，GenericClass<T,E>正确，但是GenericClass<int>　是非法的。必须使用包装类！

• instanceof检测

　　　　instanceof检测和类型转换只对原始类型进行

• static的语境　　

　　　　在一个范型类中，static方法和static域均不可引用类的类型变量，因为在类型擦除后类型变量就不存在了，另外，由于实际上只存在一个原始的类，因此static域在诸多范型实例之间是共享的。

• 范型类型的实例化

　　     不能创建一个范型类型的实例，如果T是一个变量，则语句：  T t=new T()；//是非法的。　T由他的界限替代，可能是Object或者是抽象类，所以对new的调用没有意义。

• 范型的数组对象　　

　　    不能创建一个范型数组，如果T是一个类型变量，则语句 T[]  arr=new T[10];//是不合法的。T将由他的界限代替，可很能是Object T，于是（由于类型擦除产生的）对T[]的类型转换将无法进行，因为Object[]   不是T[]。

• 参数化类型的数组　　

　　　　参数化类型的数组的实例化是非法的。比如下面这样的：

　　GenericClass<String, Integer>[]   g_1  =new GenericClass<> [10];//这是非法的，会报编译异常

好了，范型的学习也差不多了，到此告一段落了。以后有新的发现会继续研究。