Java高手的30k之路｜面试宝典｜精通泛型

本文主要是介绍Java高手的30k之路｜面试宝典｜精通泛型，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

泛型

知识点

在Java高级开发中，掌握泛型（Generics）是非常重要的，它是Java语言中的一项重要特性，提供了编译时类型安全检查机制，使得代码更加灵活和可重用。以下是Java高级开发需要掌握的泛型知识点：

1. 泛型基础：

   • 理解泛型的定义和基本语法，包括泛型类、泛型方法、泛型接口。
   • 泛型用法示例：class MyClass<T> {}、public <T> void myMethod(T t) {}。

2. 泛型通配符：

   • 理解 <?>、<? extends T>、<? super T> 等通配符的含义和使用场景。
   • 了解上界通配符和下界通配符在泛型方法和泛型类中的应用。

3. 泛型和继承关系：

   • 理解泛型在继承和子类化中的表现，包括泛型类的继承、通配符的上下界限定。

4. 类型擦除：

   • 理解Java泛型的类型擦除机制，即在运行时泛型类型信息被擦除为原始类型。
   • 泛型类和泛型方法在编译后如何处理为非泛型形式的字节码。

5. 泛型和集合：

   • 熟悉Java集合框架中泛型的应用，如 List<T>、Map<K, V> 等。
   • 掌握使用泛型提高集合类型安全性的方法。

6. 泛型方法：

   • 理解泛型方法的定义和使用，以及与泛型类的区别。
   • 了解泛型方法如何在静态方法和实例方法中应用。

7. 泛型的好处：

   • 掌握泛型的优势，如提高代码的类型安全性、避免类型转换错误、增加代码的可读性和重用性等。

8. 泛型和反射：

   • 理解泛型和反射的结合使用，如何通过反射获取泛型信息。

9. 泛型约束：

   • 熟悉泛型的类型约束，如泛型的边界限定（extends 和 super 关键字）。

10. 泛型和异常：

    • 了解泛型和异常处理的结合使用，如何处理泛型异常。

使用

1. 泛型类和泛型接口

限定类型可以在定义泛型类和泛型接口时使用。

// 限定类型 T 必须是 Number 的子类
public class NumberBox<T extends Number> {private T content;public void setContent(T content) {this.content = content;}public T getContent() {return content;}
}// 泛型接口示例
public interface NumberProcessor<T extends Number> {void process(T number);
}

2. 泛型方法

在定义泛型方法时，可以使用限定类型来约束方法的类型参数。

public class Utility {// 泛型方法，限定类型 T 必须是 Number 的子类public static <T extends Number> void printNumber(T number) {System.out.println("Number: " + number);}
}

3. 泛型通配符

限定类型也可以在泛型通配符中使用，以表示方法参数或返回值的类型约束。

import java.util.List;public class WildcardExample {// 通配符上限，list 中的元素必须是 Number 的子类public static void printNumbers(List<? extends Number> list) {for (Number number : list) {System.out.println(number);}}// 通配符下限，list 中的元素必须是 Integer 的父类public static void addIntegers(List<? super Integer> list) {list.add(1);list.add(2);}
}

4. 多重限定

如果类型参数需要同时满足多个接口，可以使用 & 符号进行多重限定。

// T 必须同时实现 Comparable<T> 和 Serializable 接口
public class MultiBound<T extends Comparable<T> & Serializable> {private T content;public void setContent(T content) {this.content = content;}public T getContent() {return content;}
}

5. 示例业务场景

下面通过一些具体的业务场景示例来说明限定类型的使用。

示例 1: 数据处理器

假设我们有一个数据处理器，需要处理不同类型的数值数据，我们可以使用泛型类来实现。

public class DataProcessor<T extends Number> {private T data;public DataProcessor(T data) {this.data = data;}public void process() {System.out.println("Processing data: " + data);}public T getData() {return data;}
}public class Main {public static void main(String[] args) {DataProcessor<Integer> intProcessor = new DataProcessor<>(100);intProcessor.process();DataProcessor<Double> doubleProcessor = new DataProcessor<>(99.99);doubleProcessor.process();}
}

示例 2: 数字打印工具

我们可以使用泛型方法来创建一个打印数字的工具方法。

public class PrintUtil {public static <T extends Number> void print(T number) {System.out.println("Number: " + number);}public static void main(String[] args) {print(123); // Integerprint(45.67); // Double}
}

示例 3: 集合操作工具

使用泛型通配符来创建一个工具类，用于操作集合中的元素。

import java.util.List;
import java.util.ArrayList;public class CollectionUtil {public static void printNumbers(List<? extends Number> list) {for (Number number : list) {System.out.println("Number: " + number);}}public static void addNumbers(List<? super Integer> list) {list.add(10);list.add(20);}public static void main(String[] args) {List<Integer> intList = new ArrayList<>();addNumbers(intList);printNumbers(intList);}
}

结合具体场景的最佳实践

当然可以。以下是结合具体业务场景的Java泛型最佳实践讲解：

1. 确保类型安全

业务场景：一个电商系统需要存储和处理不同类型的订单（如书籍订单和电子产品订单）。

示例：

class Order { /*...*/ }
class BookOrder extends Order { /*...*/ }
class ElectronicsOrder extends Order { /*...*/ }List<Order> orders = new ArrayList<>();
orders.add(new BookOrder());
orders.add(new ElectronicsOrder());
// orders.add(new String()); // 编译时会报错，防止插入非订单类型

通过使用泛型，确保集合中只存储订单对象，防止错误类型的插入。

2. 使用通配符提高代码灵活性

业务场景：需要处理一个包含各种类型商品的库存。

上界通配符（Producer-Extends）：

public void printInventory(List<? extends Product> inventory) {for (Product p : inventory) {System.out.println(p.getName());}
}List<Book> books = new ArrayList<>();
List<Electronic> electronics = new ArrayList<>();
printInventory(books);
printInventory(electronics);

通过上界通配符，可以处理各种类型的商品清单。

下界通配符（Consumer-Super）：

public void addElectronics(List<? super Electronics> inventory) {inventory.add(new Electronics());inventory.add(new Smartphone()); // Smartphone extends Electronics，注意这里可以添加三种类：父类，自己，子类（多态）
}List<Product> products = new ArrayList<>();
addElectronics(products);

通过下界通配符，可以向商品列表中添加各种电子产品。

3. 避免使用原始类型

业务场景：一个社交媒体应用需要存储用户评论。

示例：

List<Comment> comments = new ArrayList<>();
comments.add(new Comment("Great post!"));
// comments.add(new User()); // 编译时会报错，防止插入非评论类型

通过使用泛型，确保集合中只包含评论对象。

4. 使用泛型方法提高代码重用性

业务场景：一个文件处理系统，需要打印不同类型的文件内容。

示例：

public <T> void printFiles(T[] files) {for (T file : files) {System.out.println(file.toString());}
}Document[] documents = {new Document("Doc1"), new Document("Doc2")};
Image[] images = {new Image("Image1"), new Image("Image2")};
printFiles(documents);
printFiles(images);

通过使用泛型方法，可以打印任何类型的文件内容，提高代码重用性。

5. 使用有界类型参数进行约束

业务场景：一个排行榜系统，需要找到分数最高的用户。

示例：

public <T extends Comparable<T>> T findTopScorer(T[] scores) {T top = scores[0];for (T score : scores) {if (score.compareTo(top) > 0) {top = score;}}return top;
}Integer[] intScores = {85, 92, 88};
Double[] doubleScores = {85.5, 92.3, 88.9};
System.out.println(findTopScorer(intScores)); // 输出92
System.out.println(findTopScorer(doubleScores)); // 输出92.3

通过使用有界类型参数，可以确保数组中的元素可以比较，从而找到最高分数。

6. 避免使用泛型类型的静态成员

业务场景：一个用户管理系统，需要存储用户信息。

示例：

public class UserManager<T> {private T user;// private static T instance; // 编译错误，避免使用泛型类型的静态成员
}

通过避免使用泛型类型的静态成员，防止类型擦除带来的问题。

7. 使用类型令牌解决类型擦除问题

业务场景：一个对象工厂，需要根据类型创建对象实例。

示例：

public <T> T createInstance(Class<T> clazz) throws Exception {return clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
}User user = createInstance(User.class);

通过使用类型令牌，可以在运行时获取泛型类型信息，创建对象实例。

8. 避免在泛型类中使用泛型数组

业务场景：一个订单管理系统，需要存储不同类型的订单。

示例：

public class OrderManager<T> {private T[] orders; // 编译错误，避免使用泛型数组private List<T> orderList = new ArrayList<>();
}

通过避免使用泛型数组，防止类型擦除带来的问题。

9. 谨慎使用泛型和异常

业务场景：一个数据处理系统，需要处理不同类型的数据。

示例：

// 错误示例
public <T extends Exception> void processData() throws T {// 不能抛出或捕获泛型异常类型
}

避免抛出或捕获泛型异常类型。

10. 使用PECS原则

业务场景：一个物流系统，需要处理和添加不同类型的货物。

示例：

// Producer-Extends
public void processCargo(List<? extends Cargo> cargoList) {for (Cargo cargo : cargoList) {System.out.println(cargo.getDetails());}
}// Consumer-Super
public void addCargo(List<? super PerishableCargo> cargoList) {cargoList.add(new PerishableCargo());cargoList.add(new FreshCargo()); // FreshCargo extends PerishableCargo
}List<Cargo> cargos = new ArrayList<>();
addCargo(cargos);

通过PECS原则，可以处理和添加不同类型的货物。

泛型的实现原理及其在运行时的表现

1. 泛型的本质

Java 泛型在编译时提供类型检查和类型安全，允许开发人员编写更灵活且类型安全的代码。然而，在运行时，Java 泛型会被类型擦除（Type Erasure），这意味着所有的类型参数都会被擦除，并替换为它们的限定类型（如果没有指定，则替换为 Object）。

2. 类型擦除（Type Erasure）

类型擦除是 Java 泛型的核心机制。在编译时，编译器会移除泛型类型信息并插入必要的类型转换，以确保类型安全。在运行时，泛型类型信息不存在，所有泛型类型都被替换为原始类型。

例如，以下泛型类：

public class Box<T> {private T content;public void setContent(T content) {this.content = content;}public T getContent() {return content;}
}

在编译后，类型参数 T 会被替换为 Object：

public class Box {private Object content;public void setContent(Object content) {this.content = content;}public Object getContent() {return content;}
}

编译器在插入和取出元素时会生成适当的类型转换代码，以确保类型安全。

3. 限定类型

如果泛型类型参数有上限限制，如 T extends Number，类型擦除后会替换为限定类型，而不是 Object。

例如：

public class NumberBox<T extends Number> {private T content;public void setContent(T content) {this.content = content;}public T getContent() {return content;}
}

在编译后，类型参数 T 会被替换为 Number：

public class NumberBox {private Number content;public void setContent(Number content) {this.content = content;}public Number getContent() {return content;}
}

4. 泛型方法

泛型方法在运行时也会经历类型擦除，其类型参数在运行时被替换为限定类型或 Object。

public static <T> void printArray(T[] array) {for (T element : array) {System.out.println(element);}
}

在编译后，类型参数 T 被替换为 Object：

public static void printArray(Object[] array) {for (Object element : array) {System.out.println(element);}
}

5. 泛型数组

Java 不允许创建泛型类型的数组，因为在运行时泛型类型被擦除，数组的运行时类型需要具体的类型信息。

以下代码是非法的：

List<String>[] listArray = new List<String>[10]; // 编译错误

解决方法是使用通配符或 Object：

List<?>[] listArray = new List<?>[10];

6. 泛型与反射

由于类型擦除，在使用反射时，无法获取泛型类型参数的具体类型信息。例如：

List<String> list = new ArrayList<>();
Type type = list.getClass().getGenericSuperclass();
System.out.println(type); // 输出 java.util.AbstractList<E>

上面的代码只能得到泛型类型参数 E，而不是具体的 String 类型。

为什么输出 java.util.AbstractList<E>

ArrayList 继承自 AbstractList，而 AbstractList 又是AbstractCollection 的子类。具体的继承关系如下：

• ArrayList<E> extends AbstractList<E>
• AbstractList<E> extends AbstractCollection<E>

当你调用 list.getClass().getGenericSuperclass() 时，getGenericSuperclass() 方法返回的是直接父类的类型，即 AbstractList<E>。这个类型包含泛型信息，但因为泛型类型参数 E 是在编译时擦除的，实际运行时显示的是泛型类型 E。

小结

Java 泛型通过类型擦除实现，在编译时确保类型安全，但在运行时移除类型信息。类型擦除机制使得 Java 泛型在运行时没有性能开销，并且与非泛型代码兼容。然而，这也导致在运行时无法获取具体的泛型类型信息，需要通过其他方式（如反射）来处理泛型类型。

类型擦除的例外

在 Java 中，泛型类型信息确实会在编译期间被擦除，这就是所谓的类型擦除（type erasure）。类型擦除的基本概念是：泛型参数类型在编译时被替换为它们的非泛型上界（通常是 Object，除非有特定的边界），并在必要时插入类型转换。类型擦除的结果是，在运行时，泛型参数的实际类型信息是不可用的。然而，有一些情况下，类型信息是可以保留的，主要依赖于编译器在生成 class 文件时的额外信息。以下是几种情况：

• 字段：类的字段声明为泛型时，泛型信息会存储在 class 文件的字段信息部分。
• 方法参数和返回类型：方法参数或返回类型使用泛型时，泛型信息会存储在 class 文件的方法签名部分。
• 类和接口：类或接口本身声明为泛型时，泛型信息会存储在 class 文件的类型信息部分。

1. 字段的泛型类型

当一个类的字段声明为泛型类型时，编译器会将泛型类型的信息存储在 class 文件的字段信息部分。这使得在运行时，通过反射 API 可以获取到这些泛型类型的信息。比如：

import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.ParameterizedType;
import java.lang.reflect.Type;
import java.util.List;public class GenericField {private List<String> stringList;public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException {Field field = GenericField.class.getDeclaredField("stringList");Type genericFieldType = field.getGenericType();if (genericFieldType instanceof ParameterizedType) {ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) genericFieldType;Type[] actualTypeArguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();for (Type type : actualTypeArguments) {System.out.println(type);}}}
}

在这个示例中，stringList 字段的泛型类型信息在编译期被存储在 class 文件中，虽然在运行时无法直接使用泛型类型，但可以通过反射 API 获取到这些信息。输出结果为 class java.lang.String。

2. 方法的泛型参数类型

类似地，当方法的参数或返回类型使用泛型时，编译器会在 class 文件中存储这些泛型信息。在运行时，可以通过反射获取这些信息。比如：

import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.ParameterizedType;
import java.lang.reflect.Type;
import java.util.List;public class GenericMethod {public <T> void printList(List<T> list) {// Method body}public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException {Method method = GenericMethod.class.getMethod("printList", List.class);Type[] genericParameterTypes = method.getGenericParameterTypes();for (Type type : genericParameterTypes) {if (type instanceof ParameterizedType) {ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) type;Type[] actualTypeArguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();for (Type actualType : actualTypeArguments) {System.out.println(actualType);}}}}
}

在这个示例中，printList 方法的参数 list 的泛型类型信息被存储在 class 文件中，可以在运行时通过反射获取。

总结

类型擦除确实会在运行时丢失泛型参数的具体类型信息，但是编译器会在 class 文件中存储一些必要的泛型信息，使得可以在运行时通过反射获取这些信息。因此，通过 ParameterizedType，可以在运行时获取泛型参数的类型信息，这在某些情况下非常有用。

ParameterizedType

ParameterizedType 是 Java 反射 API 中的一个接口，它表示一个带有实际类型参数的泛型类型。在实际开发中，我们经常会遇到需要在运行时获取泛型类型参数的情况，这时 ParameterizedType 就非常有用。

ParameterizedType 接口用于表示参数化类型。一个参数化类型是指带有实际类型参数的类型，比如 List<String>、Map<String, Integer> 等。通过反射 API，可以在运行时获取这些参数化类型的实际类型参数。

常用方法

ParameterizedType 接口定义了一些方法，用于获取参数化类型的详细信息：

• Type[] getActualTypeArguments()：返回实际类型参数的数组。
• Type getRawType()：返回不带泛型参数的原始类型。
• Type getOwnerType()：返回这个类型的所有者类型，如果这个类型是一个内部类的话。

使用示例

下面通过一个具体的例子来说明如何使用 ParameterizedType 获取泛型类型参数。

示例 1：获取类的泛型类型参数

import java.lang.reflect.ParameterizedType;
import java.lang.reflect.Type;
import java.util.List;public class GenericClass<T> {public static void main(String[] args) {// 使用匿名子类来保留泛型类型信息GenericClass<List<String>> instance = new GenericClass<List<String>>() {};Type superclass = instance.getClass().getGenericSuperclass();if (superclass instanceof ParameterizedType) {ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) superclass;Type[] actualTypeArguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();for (Type type : actualTypeArguments) {System.out.println(type);}}}
}

在这个示例中，通过创建 GenericClass 的匿名子类，我们保留了泛型类型信息。然后使用反射获取泛型类型参数，输出结果为 java.util.List<java.lang.String>。

示例 2：获取方法的泛型类型参数

import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.ParameterizedType;
import java.lang.reflect.Type;
import java.util.List;public class GenericMethod {public <T> void printList(List<T> list) {// Method body}public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException {Method method = GenericMethod.class.getMethod("printList", List.class);Type[] genericParameterTypes = method.getGenericParameterTypes();for (Type type : genericParameterTypes) {if (type instanceof ParameterizedType) {ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) type;Type[] actualTypeArguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();for (Type actualType : actualTypeArguments) {System.out.println(actualType);}}}}
}

在这个示例中，我们通过反射获取了泛型方法 printList 的类型参数，输出结果为 T。

示例 3：获取字段的泛型类型参数

import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.ParameterizedType;
import java.lang.reflect.Type;
import java.util.List;public class GenericField {private List<String> stringList;public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException {Field field = GenericField.class.getDeclaredField("stringList");Type genericFieldType = field.getGenericType();if (genericFieldType instanceof ParameterizedType) {ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) genericFieldType;Type[] actualTypeArguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();for (Type type : actualTypeArguments) {System.out.println(type);}}}
}

在这个示例中，我们通过反射获取了泛型字段 stringList 的类型参数，输出结果为 java.lang.String。

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