(一)
JDK 5.0(也叫做 Java 5.0 或者 Tiger)給 Java 語(yǔ)言帶來(lái)了一些較大的變化。其中最重要的變化就是引入了泛型 —— 支持定義帶有抽象類(lèi)型參數(shù)的類(lèi),這些參數(shù)由您在實(shí)例化時(shí)指定。泛型為提高大型程序的類(lèi)型安全和可維護(hù)性帶來(lái)了很大的潛力。
泛型與 JDK 5.0 中其他幾個(gè)新的語(yǔ)言特性相互協(xié)作,包括增強(qiáng)的 for 循環(huán)(有時(shí)叫做 foreach 或者 for/in 循環(huán))、枚舉(enumeration)和自動(dòng)裝箱(autoboxing)。
本教程解釋了在 Java 語(yǔ)言中引入泛型的動(dòng)機(jī),詳細(xì)介紹了泛型的語(yǔ)法和語(yǔ)義,并講述了如何在自己的類(lèi)中使用泛型。
本教程針對(duì)中高級(jí) Java 開(kāi)發(fā)人員,他們想要了解針對(duì)泛型的新語(yǔ)言支持是如何工作的。本教程假定讀者熟悉在 Java 語(yǔ)言中開(kāi)發(fā)接口和類(lèi),并且具有基本的面向對(duì)象設(shè)計(jì)技能。
泛型語(yǔ)言特性只在 JDK 5.0 及以后版本中可用。如果您是基于較早的 JDK 版本開(kāi)發(fā)軟件,那么在遷移到 JDK 5.0 或以后版本之前,將無(wú)法在代碼中使用泛型特性。
為了使用泛型,必須具有一個(gè) JDK 5.0 開(kāi)發(fā)環(huán)境。可以從 Sun 公司的 Web 站點(diǎn)免費(fèi)下載 JDK 5.0 (http://java.sun.com/j2se/1.5.0/index.jsp)。
什么是泛型?
泛型(Generic type 或者 generics)是對(duì) Java 語(yǔ)言的類(lèi)型系統(tǒng)的一種擴(kuò)展,以支持創(chuàng)建可以按類(lèi)型進(jìn)行參數(shù)化的類(lèi)。可以把類(lèi)型參數(shù)看作是使用參數(shù)化類(lèi)型時(shí)指定的類(lèi)型的一個(gè)占位符,就像方法的形式參數(shù)是運(yùn)行時(shí)傳遞的值的占位符一樣。
可以在集合框架(Collection framework)中看到泛型的動(dòng)機(jī)。例如,Map 類(lèi)允許您向一個(gè) Map 添加任意類(lèi)的對(duì)象,即使最常見(jiàn)的情況是在給定映射(map)中保存某個(gè)特定類(lèi)型(比如 String)的對(duì)象。
因為 Map.get() 被定義為返回 Object,所以一般必須將 Map.get() 的結(jié)果強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換為期望的類(lèi)型,如下面的代碼所示:
Map m = new HashMap();
m.put("key", "blarg");
String s = (String) m.get("key");
要讓程序通過(guò)編譯,必須將 get() 的結(jié)果強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換為 String,并且希望結(jié)果真的是一個(gè) String。但是有可能某人已經(jīng)在該映射中保存了不是 String 的東西,這樣的話,上面的代碼將會(huì)拋出 ClassCastException。
理想情況下,您可能會(huì)得出這樣一個(gè)觀點(diǎn),即 m 是一個(gè) Map,它將 String 鍵映射到 String 值。這可以讓您消除代碼中的強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換,同時(shí)獲得一個(gè)附加的類(lèi)型檢查層,該檢查層可以防止有人將錯(cuò)誤類(lèi)型的鍵或值保存在集合中。這就是泛型所做的工作。
泛型的好處
Java 語(yǔ)言中引入泛型是一個(gè)較大的功能增強(qiáng)。不僅語(yǔ)言、類(lèi)型系統(tǒng)和編譯器有了較大的變化,以支持泛型,而且類(lèi)庫(kù)也進(jìn)行了大翻修,所以許多重要的類(lèi),比如集合框架,都已經(jīng)成為泛型化的了。這帶來(lái)了很多好處:
類(lèi)型安全。泛型的主要目標(biāo)是提高 Java 程序的類(lèi)型安全。通過(guò)知道使用泛型定義的變量的類(lèi)型限制,編譯器可以在一個(gè)高得多的程度上驗(yàn)證類(lèi)型假設(shè)。沒(méi)有泛型,這些假設(shè)就只存在于程序員的頭腦中(或者如果幸運(yùn)的話,還存在于代碼注釋中)。
Java 程序中的一種流行技術(shù)是定義這樣的集合,即它的元素或鍵是公共類(lèi)型的,比如“String 列表”或者“String 到 String 的映射”。通過(guò)在變量聲明中捕獲這一附加的類(lèi)型信息,泛型允許編譯器實(shí)施這些附加的類(lèi)型約束。類(lèi)型錯(cuò)誤現(xiàn)在就可以在編譯時(shí)被捕獲了,而不是在運(yùn)行時(shí)當(dāng)作 ClassCastException 展示出來(lái)。將類(lèi)型檢查從運(yùn)行時(shí)挪到編譯時(shí)有助于您更容易找到錯(cuò)誤,并可提高程序的可靠性。
消除強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換。泛型的一個(gè)附帶好處是,消除源代碼中的許多強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換。這使得代碼更加可讀,并且減少了出錯(cuò)機(jī)會(huì)。
盡管減少強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換可以降低使用泛型類(lèi)的代碼的羅嗦程度,但是聲明泛型變量會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的羅嗦。比較下面兩個(gè)代碼例子。
該代碼不使用泛型:
List li = new ArrayList();
li.put(new Integer(3));
Integer i = (Integer) li.get(0);
該代碼使用泛型:
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.put(new Integer(3));
Integer i = li.get(0);
在簡(jiǎn)單的程序中使用一次泛型變量不會(huì)降低羅嗦程度。但是對(duì)于多次使用泛型變量的大型程序來(lái)說(shuō),則可以累積起來(lái)降低羅嗦程度。
潛在的性能收益。泛型為較大的優(yōu)化帶來(lái)可能。在泛型的初始實(shí)現(xiàn)中,編譯器將強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換(沒(méi)有泛型的話,程序員會(huì)指定這些強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換)插入生成的字節(jié)碼中。但是更多類(lèi)型信息可用于編譯器這一事實(shí),為未來(lái)版本的 JVM 的優(yōu)化帶來(lái)可能。
由于泛型的實(shí)現(xiàn)方式,支持泛型(幾乎)不需要 JVM 或類(lèi)文件更改。所有工作都在編譯器中完成,編譯器生成類(lèi)似于沒(méi)有泛型(和強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換)時(shí)所寫(xiě)的代碼,只是更能確保類(lèi)型安全而已。
(二)
泛型用法的例子
泛型的許多最佳例子都來(lái)自集合框架,因?yàn)榉盒妥屇诒4嬖诩现械脑厣现付?lèi)型約束。考慮這個(gè)使用 Map 類(lèi)的例子,其中涉及一定程度的優(yōu)化,即 Map.get() 返回的結(jié)果將確實(shí)是一個(gè) String:
Map m = new HashMap();
m.put("key", "blarg");
String s = (String) m.get("key");
如果有人已經(jīng)在映射中放置了不是 String 的其他東西,上面的代碼將會(huì)拋出 ClassCastException。泛型允許您表達(dá)這樣的類(lèi)型約束,即 m 是一個(gè)將 String 鍵映射到 String 值的 Map。這可以消除代碼中的強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換,同時(shí)獲得一個(gè)附加的類(lèi)型檢查層,這個(gè)檢查層可以防止有人將錯(cuò)誤類(lèi)型的鍵或值保存在集合中。
下面的代碼示例展示了 JDK 5.0 中集合框架中的 Map 接口的定義的一部分:
public interface Map<K, V> {
public void put(K key, V value);
public V get(K key);
}
注意該接口的兩個(gè)附加物:
類(lèi)型參數(shù) K 和 V 在類(lèi)級(jí)別的規(guī)格說(shuō)明,表示在聲明一個(gè) Map 類(lèi)型的變量時(shí)指定的類(lèi)型的占位符。
在 get()、put() 和其他方法的方法簽名中使用的 K 和 V。
為了贏得使用泛型的好處,必須在定義或?qū)嵗?/span> Map 類(lèi)型的變量時(shí)為 K 和 V 提供具體的值。以一種相對(duì)直觀的方式做這件事:
Map<String, String> m = new HashMap<String, String>();
m.put("key", "blarg");
String s = m.get("key");
當(dāng)使用 Map 的泛型化版本時(shí),您不再需要將 Map.get() 的結(jié)果強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換為 String,因?yàn)榫幾g器知道 get() 將返回一個(gè) String。
在使用泛型的版本中并沒(méi)有減少鍵盤(pán)錄入;實(shí)際上,比使用強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換的版本需要做更多鍵入。使用泛型只是帶來(lái)了附加的類(lèi)型安全。因?yàn)榫幾g器知道關(guān)于您將放進(jìn) Map 中的鍵和值的類(lèi)型的更多信息,所以類(lèi)型檢查從執(zhí)行時(shí)挪到了編譯時(shí),這會(huì)提高可靠性并加快開(kāi)發(fā)速度。
向后兼容
在 Java 語(yǔ)言中引入泛型的一個(gè)重要目標(biāo)就是維護(hù)向后兼容。盡管 JDK 5.0 的標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)庫(kù)中的許多類(lèi),比如集合框架,都已經(jīng)泛型化了,但是使用集合類(lèi)(比如 HashMap 和 ArrayList)的現(xiàn)有代碼將繼續(xù)不加修改地在 JDK 5.0 中工作。當(dāng)然,沒(méi)有利用泛型的現(xiàn)有代碼將不會(huì)贏得泛型的類(lèi)型安全好處。
(三)
類(lèi)型參數(shù)
在定義泛型類(lèi)或聲明泛型類(lèi)的變量時(shí),使用尖括號(hào)來(lái)指定形式類(lèi)型參數(shù)。形式類(lèi)型參數(shù)與實(shí)際類(lèi)型參數(shù)之間的關(guān)系類(lèi)似于形式方法參數(shù)與實(shí)際方法參數(shù)之間的關(guān)系,只是類(lèi)型參數(shù)表示類(lèi)型,而不是表示值。
泛型類(lèi)中的類(lèi)型參數(shù)幾乎可以用于任何可以使用類(lèi)名的地方。例如,下面是 java.util.Map 接口的定義的摘錄:
public interface Map<K, V> {
public void put(K key, V value);
public V get(K key);
}
Map 接口是由兩個(gè)類(lèi)型參數(shù)化的,這兩個(gè)類(lèi)型是鍵類(lèi)型 K 和值類(lèi)型 V。(不使用泛型)將會(huì)接受或返回 Object 的方法現(xiàn)在在它們的方法簽名中使用 K 或 V,指示附加的類(lèi)型約束位于 Map 的規(guī)格說(shuō)明之下。
當(dāng)聲明或者實(shí)例化一個(gè)泛型的對(duì)象時(shí),必須指定類(lèi)型參數(shù)的值:
Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
注意,在本例中,必須指定兩次類(lèi)型參數(shù)。一次是在聲明變量 map 的類(lèi)型時(shí),另一次是在選擇 HashMap 類(lèi)的參數(shù)化以便可以實(shí)例化正確類(lèi)型的一個(gè)實(shí)例時(shí)。
編譯器在遇到一個(gè) Map<String, String> 類(lèi)型的變量時(shí),知道 K 和 V 現(xiàn)在被綁定為 String,因此它知道在這樣的變量上調(diào)用 Map.get() 將會(huì)得到 String 類(lèi)型。
除了異常類(lèi)型、枚舉或匿名內(nèi)部類(lèi)以外,任何類(lèi)都可以具有類(lèi)型參數(shù)。
命名類(lèi)型參數(shù)
推薦的命名約定是使用大寫(xiě)的單個(gè)字母名稱作為類(lèi)型參數(shù)。這與 C++ 約定有所不同(參閱附錄 A:與 C++ 模板的比較),并反映了大多數(shù)泛型類(lèi)將具有少量類(lèi)型參數(shù)的假定。對(duì)于常見(jiàn)的泛型模式,推薦的名稱是:
K —— 鍵,比如映射的鍵。
V —— 值,比如 List 和 Set 的內(nèi)容,或者 Map 中的值。
E —— 異常類(lèi)。
T ——泛型。
泛型不是協(xié)變的
關(guān)于泛型的混淆,一個(gè)常見(jiàn)的來(lái)源就是假設(shè)它們像數(shù)組一樣是協(xié)變的。其實(shí)它們不是協(xié)變的。List<Object> 不是 List<String> 的父類(lèi)型。
如果 A 擴(kuò)展 B,那么 A 的數(shù)組也是 B 的數(shù)組,并且完全可以在需要 B[] 的地方使用 A[]:
Integer[] intArray = new Integer[10];
Number[] numberArray = intArray;
上面的代碼是有效的,因為一個(gè) Integer 是一個(gè) Number,因而一個(gè) Integer 數(shù)組是一個(gè) Number 數(shù)組。但是對(duì)于泛型來(lái)說(shuō)則不然。下面的代碼是無(wú)效的:
List<Integer> intList = new ArrayList<Integer>();
List<Number> numberList = intList; // invalid
最初,大多數(shù) Java 程序員覺(jué)得這缺少協(xié)變很煩人,或者甚至是“壞的(broken)”,但是之所以這樣有一個(gè)很好的原因。如果可以將 List<Integer> 賦給 List<Number>,下面的代碼就會(huì)違背泛型應(yīng)該提供的類(lèi)型安全:
List<Integer> intList = new ArrayList<Integer>();
List<Number> numberList = intList; // invalid
numberList.add(new Float(3.1415));
因為 intList 和 numberList 都是有別名的,如果允許的話,上面的代碼就會(huì)讓您將不是 Integers 的東西放進(jìn) intList 中。但是,正如下一屏將會(huì)看到的,您有一個(gè)更加靈活的方式來(lái)定義泛型。
(四)
類(lèi)型通配符
假設(shè)您具有該方法:
void printList(List l) {
for (Object o : l)
System.out.println(o);
}
上面的代碼在 JDK 5.0 上編譯通過(guò),但是如果試圖用 List<Integer> 調(diào)用它,則會(huì)得到警告。出現(xiàn)警告是因為,您將泛型(List<Integer>)傳遞給一個(gè)只承諾將它當(dāng)作 List(所謂的原始類(lèi)型)的方法,這將破壞使用泛型的類(lèi)型安全。
如果試圖編寫(xiě)像下面這樣的方法,那么將會(huì)怎么樣?
void printList(List<Object> l) {
for (Object o : l)
System.out.println(o);
}
它仍然不會(huì)通過(guò)編譯,因為一個(gè) List<Integer> 不是一個(gè) List<Object>(正如前一屏泛型不是協(xié)變的中所學(xué)的)。這才真正煩人 —— 現(xiàn)在您的泛型版本還沒(méi)有普通的非泛型版本有用!
解決方案是使用類(lèi)型通配符:
void printList(List<?> l) {
for (Object o : l)
System.out.println(o);
}
上面代碼中的問(wèn)號(hào)是一個(gè)類(lèi)型通配符。它讀作“問(wèn)號(hào)”。List<?> 是任何泛型 List 的父類(lèi)型,所以您完全可以將 List<Object>、List<Integer> 或 List<List<List<Flutzpah>>> 傳遞給 printList()。
類(lèi)型通配符的作用
前面類(lèi)型通配符中引入了類(lèi)型通配符,這讓您可以聲明 List<?> 類(lèi)型的變量。您可以對(duì)這樣的 List 做什么呢?非常方便,可以從中檢索元素,但是不能添加元素。原因不是編譯器知道哪些方法修改列表哪些方法不修改列表,而是(大多數(shù))變化的方法比不變化的方法需要更多的類(lèi)型信息。下面的代碼則工作得很好:
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.add(new Integer(42));
List<?> lu = li;
System.out.println(lu.get(0));
為什么該代碼能工作呢?對(duì)于 lu,編譯器一點(diǎn)都不知道 List 的類(lèi)型參數(shù)的值。但是編譯器比較聰明,它可以做一些類(lèi)型推理。在本例中,它推斷未知的類(lèi)型參數(shù)必須擴(kuò)展 Object。(這個(gè)特定的推理沒(méi)有太大的跳躍,但是編譯器可以作出一些非常令人佩服的類(lèi)型推理,后面就會(huì)看到(在底層細(xì)節(jié)一節(jié)中)。所以它讓您調(diào)用 List.get() 并推斷返回類(lèi)型為 Object。
另一方面,下面的代碼不能工作:
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.add(new Integer(42));
List<?> lu = li;
lu.add(new Integer(43)); // error
在本例中,對(duì)于 lu,編譯器不能對(duì) List 的類(lèi)型參數(shù)作出足夠嚴(yán)密的推理,以確定將 Integer 傳遞給 List.add() 是類(lèi)型安全的。所以編譯器將不允許您這么做。
以免您仍然認(rèn)為編譯器知道哪些方法更改列表的內(nèi)容哪些不更改列表內(nèi)容,請(qǐng)注意下面的代碼將能工作,因為它不依賴于編譯器必須知道關(guān)于 lu 的類(lèi)型參數(shù)的任何信息:
List<Integer> li = new ArrayList<Integer>();
li.add(new Integer(42));
List<?> lu = li;
lu.clear();
泛型方法
(在類(lèi)型參數(shù)一節(jié)中)您已經(jīng)看到,通過(guò)在類(lèi)的定義中添加一個(gè)形式類(lèi)型參數(shù)列表,可以將類(lèi)泛型化。方法也可以被泛型化,不管它們定義在其中的類(lèi)是不是泛型化的。
泛型類(lèi)在多個(gè)方法簽名間實(shí)施類(lèi)型約束。在 List<V> 中,類(lèi)型參數(shù) V 出現(xiàn)在 get()、add()、contains() 等方法的簽名中。當(dāng)創(chuàng)建一個(gè) Map<K, V> 類(lèi)型的變量時(shí),您就在方法之間宣稱一個(gè)類(lèi)型約束。您傳遞給 add() 的值將與 get() 返回的值的類(lèi)型相同。
類(lèi)似地,之所以聲明泛型方法,一般是因為您想要在該方法的多個(gè)參數(shù)之間宣稱一個(gè)類(lèi)型約束。例如,下面代碼中的 ifThenElse() 方法,根據(jù)它的第一個(gè)參數(shù)的布爾值,它將返回第二個(gè)或第三個(gè)參數(shù):
public <T> T ifThenElse(boolean b, T first, T second) {
return b ? first : second;
}
注意,您可以調(diào)用 ifThenElse(),而不用顯式地告訴編譯器,您想要 T 的什么值。編譯器不必顯式地被告知 T 將具有什么值;它只知道這些值都必須相同。編譯器允許您調(diào)用下面的代碼,因為編譯器可以使用類(lèi)型推理來(lái)推斷出,替代 T 的 String 滿足所有的類(lèi)型約束:
String s = ifThenElse(b, "a", "b");
類(lèi)似地,您可以調(diào)用:
Integer i = ifThenElse(b, new Integer(1), new Integer(2));
但是,編譯器不允許下面的代碼,因為沒(méi)有類(lèi)型會(huì)滿足所需的類(lèi)型約束:
String s = ifThenElse(b, "pi", new Float(3.14));
為什么您選擇使用泛型方法,而不是將類(lèi)型 T 添加到類(lèi)定義呢?(至少)有兩種情況應(yīng)該這樣做:
當(dāng)泛型方法是靜態(tài)的時(shí),這種情況下不能使用類(lèi)類(lèi)型參數(shù)。
當(dāng) T 上的類(lèi)型約束對(duì)于方法真正是局部的時(shí),這意味著沒(méi)有在相同類(lèi)的另一個(gè)方法簽名中使用相同類(lèi)型 T 的約束。通過(guò)使得泛型方法的類(lèi)型參數(shù)對(duì)于方法是局部的,可以簡(jiǎn)化封閉類(lèi)型的簽名。
有限制類(lèi)型
在前面泛型方法的例子中,類(lèi)型參數(shù) V 是無(wú)約束的或無(wú)限制的類(lèi)型。有時(shí)在還沒(méi)有完全指定類(lèi)型參數(shù)時(shí),需要對(duì)類(lèi)型參數(shù)指定附加的約束。
考慮例子 Matrix 類(lèi),它使用類(lèi)型參數(shù) V,該參數(shù)由 Number 類(lèi)來(lái)限制:
public class Matrix<V extends Number> { ... }
編譯器允許您創(chuàng)建 Matrix<Integer> 或 Matrix<Float> 類(lèi)型的變量,但是如果您試圖定義 Matrix<String> 類(lèi)型的變量,則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。類(lèi)型參數(shù) V 被判斷為由 Number 限制。在沒(méi)有類(lèi)型限制時(shí),假設(shè)類(lèi)型參數(shù)由 Object 限制。這就是為什么前一屏泛型方法中的例子,允許 List.get() 在 List<?> 上調(diào)用時(shí)返回 Object,即使編譯器不知道類(lèi)型參數(shù) V 的類(lèi)型