泛型-Generics
泛型的概念
在集合中存储对象并在使用前进行类型转换是多么的不方便。泛型防止了那种情况的发生。
它提供了编译期的类型安全,确保你只能把正确类型的对象放入集合中,避免了在运行时出现ClassCastException。
- 不使用泛型
/**
* 这样做的一个不好的是Box里面现在只能装入String类型的元素,今后如果我们需要装入Integer等其他类型的元素,
* 还必须要另外重写一个Box,代码得不到复用,使用泛型可以很好的解决这个问题。
*/
public class Box {
private String object;
public void set(String object) {
this.object = object;
}
public String get(){
return object;
}
}
- 使用泛型
public class GenericBox<T> {
// T stands for "Type"
private T t;
public void set(T t) { this.t = t; }
public T get() { return t; }
}
限定通配符和非限定通配符
- 限定通配符
限定通配符对类型进行了限制。有两种限定通配符:
一种是<? extends T>它通过确保类型必须是T及T的子类来设定类型的上界,
另一种是<? super T>它通过确保类型必须是T及T的父类设定类型的下界。
泛型类型必须用限定的类型来进行初始化,否则会导致编译错误。
-
非限定通配符
<?>表示了非限定通配符,因为<?>可以用任意类型来替代。
public class BoundaryCharExample {
//查找一个泛型数组中大于某个特定元素的个数
public static <T> int countGreaterThan(T[] array,T elem){
int count = 0;
for (T e : array) {
if (e > elem) { // compiler error
++count;
}
}
return count;
}
/*
* comliler error:但是这样很明显是错误的,
* 因为除了short, int, double, long, float, byte, char等原始类型,
* 其他的类并不一定能使用操作符" > "
* 解决 --> 使用限定通配符/边界符
* */
}
- 使用限定通配符改进
public class BoundaryCharExample2 {
public static <T extends Comparable<T>> int countGreaterThan(T[] array,T elem){
//<T extends Comparable<T>>就是通配符,类型必须是 Comparable<T>及其子类
int count = 0;
for (T e : array) {
if (e.compareTo(elem)>0) {
++count;
}
}
return count;
}
}
- 面试题:List<? extends T> 和List <? super T>之间有什么区别 ?
List<? extends T>可以接受任何继承自T的类型的List,
List<? super T>可以接受任何T的父类构成的List。
例如List<? extends Number>可以接受List或List。
PECS(Producer Extends Consumer Super)原则
PECS原则即Producer Extends,Consumer Super原则
Producer Extends:如果你需要一个只读List,用它来produce T,那么使用? extends T。
Consumer Super:如果你需要一个只写List,用它来consume T,那么使用? super T。
public class GenericExample {
public static void main(String[] args) {
List<? extends Fruit> fruits = new ArrayList<Apple>();
//? extends Fruit表示的是Fruit及其子类
// Compile Error: can't add any type of object:
//fruits.add(new Apple());
//fruits.add(new Orange());
//fruits.add(new Fruit());
//fruits.add(new Object());
//fruits.add(null); // Legal but uninteresting
}
}
Compile Error: can’t add any type of object:
从编译器的角度去考虑。因为List<? extends Fruit> fruits它自身可以有多种含义:
因为List<? extends Fruit> fruits它自身可以有多种含义(参照下面的代码 GenericReading.java):
List<? extends Fruit> fruits = new ArrayList<Fruit>();
List<? extends Fruit> fruits = new ArrayList<Apple>();
List<? extends Fruit> fruits = new ArrayList<Orange>();
// 这里Apple和Orange都是Fruit子类
当我们尝试add一个Apple的时候,fruits可能指向new ArrayList();
当我们尝试add一个Orange的时候,fruits可能指向new ArrayList();
当我们尝试add一个Fruit的时候,这个Fruit可以是任何类型的Fruit,
而fruits可能只想某种特定类型的Fruit,编译器无法识别所以会报错。
所以对于实现了<? extends T>的集合类只能将它视为 Producer 向外提供元素(只能读),
,而不能作为 Consumer 来向外获取元素。
/**
* 对于实现了<? extends T>的集合类只能将它视为Producer向外提供(get)元素,
* 而不能作为Consumer来对外获取(add)元素。
*/
public class GenericReading {
private List<Apple> apples = Arrays.asList(new Apple());
private List<Fruit> fruit = Arrays.asList(new Fruit());
private class Reader<T>{ //Reader<T> 是自定义的泛型类
/*T readExact(List<T> list){
return list.get(0);
}*/
T readExact(List<? extends T> list){// 使用通配符来解决这个问题
// ? extends T 表示 T 及 T 的子类
return list.get(0); //TODO :get()方法
}
}
@Test
public void test(){
Reader<Fruit> fruitReader=new Reader<Fruit>();
//Fruit f=fruitReader.readExact(apples);
// 使用 readExact(List<T> list)
// Errors: List<Fruit> cannot be applied to List<Apple>.
Fruit f=fruitReader.readExact(apples);//正确
System.out.println(f);
}
}
/**
*
使用super的坏处是以后不能get容器里面的元素了,
原因很简单,我们继续从编译器的角度考虑这个问题,
对于List<? super Apple> list,它可以有下面几种含义:
List<? super Apple> list = new ArrayList<Apple>();
List<? super Apple> list = new ArrayList<Fruit>();
List<? super Apple> list = new ArrayList<Object>();
当我们尝试通过list来get一个Apple的时候,可能会get得到一个Fruit,这个Fruit可以是Orange等其他类型的Fruit。
*/
public class GenericWriting {
private List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>();
private List<Orange> oranges = new ArrayList<Orange>();
private List<Fruit> fruit = new ArrayList<Fruit>();
<T> void writeExact(List<T> list, T item) {
list.add(item); //TODO :这里是 add
}
// ? super T
// T 及 T 的父类
<T> void writeWithWildcard(List<? super T> list, T item) {
list.add(item);
}
void func1(){
writeExact(apples,new Apple());
writeExact(fruit,new Apple());
}
void func2(){
writeWithWildcard(apples, new Apple());
writeWithWildcard(fruit, new Apple());
}
@Test
public void test(){
func1();
func2();
}
}
- JDK 8 Collections.copy() 源码:
public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
//dest 就是 只写的 List
//src 就是 只读的 List
int srcSize = src.size();
if (srcSize > dest.size())
throw new IndexOutOfBoundsException("Source does not fit in dest");
if (srcSize < COPY_THRESHOLD ||
(src instanceof RandomAccess && dest instanceof RandomAccess)) {
for (int i=0; i<srcSize; i++)
dest.set(i, src.get(i));
} else {
ListIterator<? super T> di=dest.listIterator();
ListIterator<? extends T> si=src.listIterator();
for (int i=0; i<srcSize; i++) {
di.next();
di.set(si.next());
}
}
}
类型擦除
类型擦除简介
Java 中的泛型是伪泛型。
类型擦除就是Java泛型只能用于在编译期间的静态类型检查,然后编译器生成的代码会擦除相应的类型信息,
这样到了运行期间实际上JVM根本不知道泛型所代表的具体类型。这样做的目的是因为Java泛型是1.5之后才被引入的,为了保持向下兼容。
对于这一点,如果阅读 Java 集合框架的源码,可以发现有些类其实并不支持泛型。
public class Node<T> {
private T data;
private Node<T> next;
public Node(T data, Node<T> next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public T getData() { return data; }
}
编译器做完相应的类型检查之后,实际上到了运行期间上面这段代码实际上将转换成:
public class Node {
private Object data; //T转换成Object
private Node next;
public Node(Object data, Node next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public Object getData() { return data; }
}
这意味着不管我们声明 Node 还是Node,到了运行期间,JVM 统统视为Node。
解决:
public class Node<T extends Comparable<T>> {
//Node<T extends Comparable<T>> 是Comaparable即其子类
private T data;
private Node<T> next;
public Node(T data, Node<T> next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public T getData() { return data; }
}
这样编译器就会将 T 出现的地方替换成 Comparable 而不再是默认的 Object 了:
public class Node {
private Comparable data;
//将T出现的地方替换成Comparable
private Node next;
public Node(Comparable data, Node next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public Comparable getData() { return data; }
}
类型擦除带来的问题
- 在 Java 中不允许创建泛型数组
public class Problem1 {
public static void main(String[] args) {
// List<Integer> [] listsOfArray = new List<Integer>[2];
// compile-time error
/*
解析:
compile-time error,我们站在编译器的角度来考虑这个问题:
先来看一下下面这个例子:
Object[] strings = new String[2];
strings[0] = "hi"; // OK
strings[1] = 100; // An ArrayStoreException is thrown.
字符串数组不能存放整型元素,
而且这样的错误往往要等到代码**运行的时候**才能发现,编译器是无法识别的。
接下来我们再来看一下假设Java支持泛型数组的创建会出现什么后果:
Object[] stringLists = new List<String>[];
// compiler error, but pretend it's allowed
stringLists[0] = new ArrayList<String>(); // OK
// An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can't detect it.
stringLists[1] = new ArrayList<Integer>();
假设我们支持泛型数组的创建,由于运行时期类型信息已经被擦除,
JVM 实际上根本就不知道 new ArrayList<String>() 和 new ArrayList<Integer>() 的区别。
* */
// 可以使用如下语句创建集合数组
// List<Integer> [] listsOfArray = (List<Integer> [])new Object[2];
Class c1 = new ArrayList<String>().getClass();
Class c2 = new ArrayList<Integer>().getClass();
//因为存在类型擦除,实际上就是c1和c2使用的是同一个.class文件
System.out.println(c1 == c2); // true
}
}
- 对于泛型代码,Java 编译器实际上还会偷偷帮我们实现一个 Bridge Method。
public class Node<T> {
public T data;
public Node(T data) { this.data = data; }
public void setData(T data) {
System.out.println("Node.setData");
this.data = data;
}
}
public class MyNode extends Node<Integer> {
public MyNode(Integer data) { super(data); }
public void setData(Integer data) {
System.out.println("MyNode.setData");
super.setData(data);
}
}
看完上面的分析之后,你可能会认为在类型擦除后,编译器会将Node和MyNode变成下面这样:
public class Node {
public Object data;
public Node(Object data) { this.data = data; }
public void setData(Object data) {
System.out.println("Node.setData");
this.data = data;
}
}
public class MyNode extends Node {
public MyNode(Integer data) { super(data); }
public void setData(Integer data) {
//TODO:子类中的两个setData()方法是重载关系,不是重写关系;因为参数类型不同
//**要实现多态的话,所调用的方法必须在子类中重写**,
// 也就是说这里是要重写 setData(Object) 方法,来实现多态
System.out.println("MyNode.setData");
super.setData(data);
}
}
实际上 Java 编译器对上面代码自动还做了一个处理:
public class MyNode extends Node {
//TODO: Bridge Method generated by the compiler
public void setData(Object data) {
setData((Integer) data);
//TODO:setData((Integer) data),这样String无法转换成Integer。
//TODO:所以当编译器提示 unchecked warning 的时候,
//我们不能选择忽略,不然要等到运行期间才能发现异常。
}
public void setData(Integer data) {
System.out.println("MyNode.setData");
super.setData(data);
}
}
- Java 泛型很大程度上只能提供静态类型检查,然后类型的信息就会被擦除,所以利用类型参数创建实例的做法编译器不会通过。
public static <E> void append(List<E> list) {
E elem = new E(); // compile-time error
list.add(elem);
}
使用反射解决:
public static <E> void append(List<E> list, Class<E> cls) throws Exception {
E elem = cls.newInstance();
// TODO:使用反射创建E类型的实例
list.add(elem);
}
-
无法对泛型代码直接使用 instanceof 关键字,因为 Java 编译器在生成代码的时候会擦除所有相关泛型的类型信息。
JVM 在运行时期无法识别出ArrayList和ArrayList的之间的区别:
public static <E> void rtti(List<E> list) {
if (list instanceof ArrayList<Integer>) { // compile-time error
// ...
}
}
ArrayList, ArrayList, LinkedList, … 和上面一样,有这个问题。
使用通配符解决:
public static void rtti(List<?> list) { //TODO:? 表示非限定通配符
if (list instanceof ArrayList<?>) { // OK; instanceof requires a reifiable type(具体的类型)
// ...
}
}
泛型的应用
泛型实现 LRU 缓存
- LRU(Least Recently Used,最近最久未使用)缓存思想:
(1)固定缓存大小,需要给缓存分配一个固定的大小
(2)每次读取缓存都会改变缓存的使用时间,将缓存的存在时间重新刷新
(3)需要在缓存满了后,将最近最久未使用的缓存删除,再添加最新的缓存
- 实现思路:使用LinkedHashMap来实现LRU缓存。
LinkedHashMap的一个构造函数:
public LinkedHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor,
boolean accessOrder) {
super(initialCapacity, loadFactor);
this.accessOrder = accessOrder;
}
传入的第三个参数:
accessOrder为true的时候,就按访问顺序对LinkedHashMap排序,
accessOrder为false的时候,就按插入顺序(默认情况)。
当把accessOrder设置为true后(按照访问顺序),就可以将最近访问的元素置于最前面。这样就可以满足上述的(2)。
LinkedHashMap是自动扩容的,当table数组中元素大于Capacity * loadFactor的时候,就会自动进行两倍扩容。
但是为了使缓存大小固定,就需要在初始化的时候传入容量大小和负载因子。
为了使得到达设置缓存大小不会进行自动扩容,需要将初始化的大小进行计算再传入,
将初始化大小设置为(缓存大小 / loadFactor) + 1,这样就可以在元素数目达到缓存大小时,
也不会进行扩容了。这样就解决了上述的(1)。
- 实现
public class LRUCache<K,V> {
private final int MAX_CACHE_SIZE;
private final float DEFAULT_LOAD_FACTORY = 0.75f;
private LinkedHashMap<K, V> map;;
public LRUCache(int cacheSize){
MAX_CACHE_SIZE=cacheSize;
int capacity=(int)Math.ceil(MAX_CACHE_SIZE/DEFAULT_LOAD_FACTORY)+1;
//初始化大小设置为(缓存大小 / loadFactor) + 1,这样就可以在元素数目达到缓存大小时,也不会进行扩容
map=new LinkedHashMap<K,V>(capacity,DEFAULT_LOAD_FACTORY,true){
//true表示按照访问顺序
@Override
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
return size()>MAX_CACHE_SIZE;
}
};
}
//为了线程安全所有方法都是同步方法
public synchronized void put(K key,V value){
map.put(key,value);
}
public synchronized V get(K key){
return map.get(key);
}
public synchronized void remove(K key){
map.remove(key);
}
public synchronized Set<Map.Entry<K,V>> getAll(){
return map.entrySet();
}
@Override
public String toString() {
StringBuilder sb=new StringBuilder();
for(Map.Entry<K,V> entry:map.entrySet()){
sb.append(String.format("%s: %s\n",entry.getKey(),entry.getValue()));
}
return sb.toString();
}
public static void main(String[] args) {
LRUCache<Integer,Integer> lru=new LRUCache<Integer, Integer>(5);
//该缓存的容量是5
lru.put(1, 1);
lru.put(2, 2);
lru.put(3, 3);
System.out.println(lru);
lru.get(1); //这里访问了 key=1的元素
//按照访问顺序排序 --> key=1的元素是最新才访问的,所以key=2的元素是最近最久未访问的元素
System.out.println(lru);
lru.put(4,4);
lru.put(5,5);
lru.put(6,6);
//容器的容量是5,当超过该容量时,会删除最近最久未访问的元素,也就是删除了key=2的元素
System.out.println(lru);
}
}
输出结果:
1: 1
2: 2
3: 3
2: 2
3: 3
1: 1
3: 3
1: 1
4: 4
5: 5
6: 6
泛型实现 FIFO 缓存
- FIFO设计思路:FIFO就是先进先出,可以使用LinkedHashMap进行实现。
LinkedHashMap 的构造函数:
public LinkedHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor,
boolean accessOrder) {
super(initialCapacity, loadFactor);
this.accessOrder = accessOrder;
}
当第三个参数传入为false或者是默认的时候,就可以实现按插入顺序排序,就可以实现FIFO缓存了。
public class FIFOCache<K,V> {
private final int MAX_CACHE_SIZE;
private final float DEFAULT_LOAD_FACTORY = 0.75f;
private LinkedHashMap<K, V> map;
public FIFOCache(int cacheSize) {
this.MAX_CACHE_SIZE = cacheSize;
int capacity = (int)Math.ceil(MAX_CACHE_SIZE / DEFAULT_LOAD_FACTORY) + 1;
map=new LinkedHashMap<K,V>(capacity,DEFAULT_LOAD_FACTORY,false){
@Override
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K, V> eldest) {
return size() > MAX_CACHE_SIZE;
}
};
}
public synchronized void put(K key,V value){
map.put(key,value);
}
public synchronized V get(K key){
return map.get(key);
}
public synchronized void remove(K key){
map.remove(key);
}
public synchronized Set<Map.Entry<K,V>> getAll(){
return map.entrySet();
}
@Override
public String toString() {
StringBuilder sb=new StringBuilder();
for(Map.Entry<K,V> entry:map.entrySet()){
sb.append(String.format("%s: %s\n",entry.getKey(),entry.getValue()));
}
return sb.toString();
}
public static void main(String[] args) {
//按照插入顺序
FIFOCache<Integer,Integer> fifo=new FIFOCache<Integer, Integer>(5);
fifo.put(1, 1);
fifo.put(2, 2);
fifo.put(3, 3);
System.out.println(fifo);
fifo.get(1);
System.out.println(fifo);
fifo.put(4,4);
fifo.put(5,5);
fifo.put(6,6);
System.out.println(fifo);
}
}
输出结果:
1: 1
2: 2
3: 3
1: 1
2: 2
3: 3
2: 2
3: 3
4: 4
5: 5
6: 6
泛型的实现方式
Java 的泛型是一种伪泛型,编译为字节码时参数类型会在代码中被擦除,单独记录在 Class 文件的 attributes 域内,而在使用泛型处做类型检查与类型转换。
假设参数类型的占位符为T,擦除规则(保留上界)如下:
(1) <T> 擦除后变为 Object
(2) <? extends A> 擦除后变为 A
(3) <? super A> 擦除后变为 Object
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