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Java泛型的重要目的:别让猫别站在狗队里

2019年02月02日  | 移动技术网IT编程  | 我要评论

《java编程思想》第四版足足用了75页来讲泛型——厚厚的一沓内容,很容易让人头大——但其实根本不用这么多,只需要一句话:我是一个泛型队列,狗可以站进来,猫也可以站进来,但最好不要既站猫,又站狗!

01、泛型是什么

泛型,有人拆解这个词为“参数化类型”。这种拆解其实也不好理解,还是按照沉默王二的意思来理解一下吧。

现在有一只玻璃杯,你可以让它盛一杯白开水,也可以盛一杯二锅头——泛型的概念就在于此,制造这只杯子的时候没必要在说明书上定义死,指明它只能盛白开水而不能盛二锅头!

可以在说明书上指明它用来盛装液体,但最好也不要这样,弄不好用户想用它来盛几块冰糖呢!

这么一说,你是不是感觉不那么抽象了?泛型其实就是在定义类、接口、方法的时候不局限地指定某一种特定类型,而让类、接口、方法的调用者来决定具体使用哪一种类型的参数。

就好比,玻璃杯的制造者说,我不知道使用者用这只玻璃杯来干嘛,所以我只负责造这么一只杯子;玻璃杯的使用者说,这就对了,我来决定这只玻璃杯是盛白开水还是二锅头,或者冰糖。

02、什么时候用泛型

我们来看一段简短的代码:

public class cmower {

    class dog {
    }

    class cat {
    }

    public static void main(string[] args) {
        cmower cmower = new cmower();
        map map = new hashmap();
        map.put("dog", cmower.new dog());
        map.put("cat", cmower.new cat());

        cat cat = (cat) map.get("dog");
        system.out.println(cat);
    }

}

这段代码的意思是:我们在map中放了一只狗(dog),又放了一只猫(cat),当我们想从map中取出猫的时候,却一不留神把狗取了出来。

这段代码编译是没有问题的,但运行的时候就会报classcastexception(狗毕竟不是猫啊):

exception in thread "main" java.lang.classcastexception: com.cmower.java_demo.sixteen.cmower$dog cannot be cast to com.cmower.java_demo.sixteen.cmower$cat
    at com.cmower.java_demo.sixteen.cmower.main(cmower.java:20)

为什么会这样呢?

1)写代码的程序员粗心大意。要从map中把猫取出来,你不能取狗啊!

2)创建map的时候,没有明确指定map中要放的类型。如果指定是要放猫,那肯定取的时候就是猫,不会取出来狗;如果指定是要放狗,也一个道理。

第一种情况不太好解决,总不能把程序员打一顿(我可不想做一个天天背锅的程序员,很重的好不好);第二种情况就比较容易解决,因为map支持泛型(泛型接口)。

public interface map<k,v> {
}

注:在java中,经常用t、e、k、v等形式的参数来表示泛型参数。

t:代表一般的任何类。
e:代表 element 的意思,或者 exception 异常的意思。
k:代表 key 的意思。
v:代表 value 的意思,通常与 k 一起配合使用。

既然map支持泛型,那作为map的实现者hashmap(泛型类)也支持泛型了。

public class hashmap<k,v> extends abstractmap<k,v>
    implements map<k,v>, cloneable, serializable {
    
}

其中的put方法(泛型方法)是这样定义的:

public v put(k key, v value) {
  return putval(hash(key), key, value, false, true);
}

好了,现在使用泛型的形式来定义一个只能放cat的map吧!

public class cmower {

    class dog {
    }

    class cat {
    }

    public static void main(string[] args) {
        cmower cmower = new cmower();
        map<string, cat> map = new hashmap<>();
//      map.put("dog", cmower.new dog()); // 不再允许添加
        map.put("cat", cmower.new cat());

        cat cat = map.get("cat");
        system.out.println(cat);
    }
}

当使用泛型定义map(键为string类型,值为cat类型)后:

1)编译器就不再允许你向map中添加狗的对象了。

2)当你从map中取出猫的时候,也不再需要强制转型了。

03、类型擦除

有人说,java的泛型做的只是表面功夫——泛型信息存在于编译阶段(狗队在编译时不允许站猫),运行阶段就消失了(运行时的队列里没有猫的信息,连狗的信息也没有)——这种现象被称为“类型擦除”。

来,看代码解释一下:

public class cmower {

    class dog {
    }

    class cat {
    }

    public static void main(string[] args) {
        cmower cmower = new cmower();
        map<string, cat> map = new hashmap<>();
        map<string, dog> map1 = new hashmap<>();
        
        // the method put(string, cmower.cat) in the type map<string,cmower.cat> is not applicable for the arguments (string, cmower.dog)
        //map.put("dog",cmower.new dog());
        
        system.out.println(map.getclass());
        // 输出:class java.util.hashmap
        system.out.println(map1.getclass());
        // 输出:class java.util.hashmap
    }

}

map的键位上是cat,所以不允许put一只dog;否则编译器会提醒the method put(string, cmower.cat) in the type map<string,cmower.cat> is not applicable for the arguments (string, cmower.dog)。编译器做得不错,值得点赞。

但是问题就来了,map的class类型为hashmap,map1的class类型也为hashmap——也就是说,java代码在运行的时候并不知道map的键位上放的是cat,map1的键位上放的是dog。

那么,试着想一些可怕的事情:既然运行时泛型的信息被擦除了,而反射机制是在运行时确定类型信息的,那么利用反射机制,是不是就能够在键位为cat的map上放一只dog呢?

我们不妨来试一试:

public class cmower {

    class dog {
    }

    class cat {
    }

    public static void main(string[] args) {
        cmower cmower = new cmower();
        map<string, cat> map = new hashmap<>();
        
        try {
            method method = map.getclass().getdeclaredmethod("put",object.class, object.class);
            
            method.invoke(map,"dog", cmower.new dog());
            
            system.out.println(map);
            // {dog=com.cmower.java_demo.sixteen.cmower$dog@55f96302}
        } catch (nosuchmethodexception | securityexception | illegalaccessexception | illegalargumentexception | invocationtargetexception e) {
            e.printstacktrace();
        }
    }

}

看到没?我们竟然在键位为cat的map上放了一只dog!

注:java的设计者在jdk 1.5时才引入了泛型,但为了照顾以前设计上的缺陷,同时兼容非泛型的代码,不得不做出了一个折中的策略:编译时对泛型要求严格,运行时却把泛型擦除了——要兼容以前的版本,还要升级扩展新的功能,真的很不容易!

04、泛型通配符

有些时候,你会见到这样一些代码:

list<? extends number> list = new arraylist<>();
list<? super number> list = new arraylist<>();

?和关键字extends或者super在一起其实就是泛型的高级应用:通配符。

我们来自定义一个泛型类——pethouse(宠物小屋),它有一些基本的动作(可以住进来一只宠物,也可以放出去):

public class pethouse<t> {
    private list<t> list;

    public pethouse() {
    }

    public void add(t item) {
        list.add(item);
    }

    public t get() {
        return list.get(0);
    }
}

如果我们想要住进去一只宠物,可以这样定义小屋(其泛型为pet):

pethouse<pet> pethouse = new pethouse<>();

然后,我们让小猫和小狗住进去:

pethouse.add(new cat());
pethouse.add(new dog());

如果我们只想要住进去一只小猫,打算这样定义小屋:

pethouse<pet> pethouse = new pethouse<cat>();

但事实上,编译器不允许我们这样定义:因为泛型不直接支持向上转型。该怎么办呢?

可以这样定义小屋:

pethouse<? extends pet> pethouse = new pethouse<cat>();

也就是说,宠物小屋可以住进去小猫,但它必须是宠物(pet或者pet的子类)而不是一只野猫。

但很遗憾,这个宠物小屋实际上住不了小猫,看下图。

这是因为java虽然支持泛型的向上转型(使用 extends 通配符),但我们却无法向其中添加任何东西——编译器并不知道宠物小屋里要住的是小猫还是小狗,或者其他宠物,因此干脆什么都不让住。

看到这,你一定非常疑惑,既然pethouse<? extends pet>定义的宠物小屋什么也不让住,那为什么还要这样定义呢?

(我暂时也没有想到合适的场景,你知道吗?)


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