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Java 泛型知识点

news 2025/9/9 9:31:16

        在 Java 编程中，泛型（Generics）是一项至关重要的特性，它从 JDK 5 开始引入，彻底改变了代码的类型安全和复用性。泛型的核心思想是 “参数化类型”，即允许在定义类、接口和方法时，将类型作为参数传入，从而实现代码的通用化，同时在编译阶段就能检测出类型不匹配的错误，避免运行时异常。本文将从基础到进阶，全面拆解 Java 泛型的知识点。

一、泛型的核心价值：为什么需要泛型？

在泛型出现之前，Java 开发者通常使用Object类来实现通用代码。例如，要实现一个存储任意类型数据的集合，会这样写：

// 无泛型时代的集合
List list = new ArrayList();
list.add("Java");       // 存入String
list.add(123);          // 存入Integer
list.add(new Object()); // 存入Object// 取值时必须强制类型转换
String str = (String) list.get(0); // 正常转换
Integer num = (Integer) list.get(1); // 正常转换
String error = (String) list.get(2); // 运行时异常：ClassCastException

这种写法存在两大问题：

  1. 类型不安全：集合可以存入任意类型的数据，编译器无法检查类型，只能在运行时通过强制转换暴露错误，增加了程序崩溃的风险。
  1. 代码冗余：每次取值都需要手动强制类型转换，代码繁琐且易出错。

泛型的出现正是为了解决这些问题，它带来了三大核心优势：

  • 编译期类型检查：在定义集合时指定类型，编译器会自动拦截不符合类型的数据存入，从源头避免类型错误。
  • 消除强制类型转换：取值时无需手动转换，编译器会根据泛型参数自动推断类型，代码更简洁。
  • 代码复用：一套泛型代码可以适配多种数据类型，无需为不同类型重复编写逻辑（如不同类型的集合、工具类）。

二、泛型的基础语法：如何定义和使用泛型？

泛型的语法核心是 “类型参数”，通常用大写字母表示（如T、E、K、V等，遵循约定俗成的命名：T=Type，E=Element，K=Key，V=Value）。根据使用场景，泛型可分为泛型类、泛型方法和泛型接口三类。

（一）泛型类：将类型参数绑定到类上

泛型类是指在类定义时声明类型参数，使得类中的属性、方法参数或返回值可以使用该类型参数。其语法格式为：

// 定义泛型类：<类型参数> 放在类名后
class 类名<类型参数1, 类型参数2, ...> {// 类型参数可用于属性、方法参数、返回值private 类型参数1 属性名;public 类型参数1 方法名(类型参数2 参数名) {return 属性名;}
}

实例：实现一个通用的 “数据包装类”

假设需要一个类来包装不同类型的数据（如 String、Integer、User 对象），使用泛型类可以一次实现：

// 泛型类：T为类型参数，表示“任意类型”
class DataWrapper<T> {private T data; // 使用T作为属性类型// 构造器：参数类型为Tpublic DataWrapper(T data) {this.data = data;}// 方法：返回值类型为Tpublic T getData() {return data;}// 方法：参数类型为Tpublic void setData(T data) {this.data = data;}// 通用方法：打印数据（无需关心T的具体类型）public void printData() {System.out.println("包装的数据：" + data);}
}// 使用泛型类
public class GenericClassDemo {public static void main(String[] args) {// 1. 包装String类型：指定T为StringDataWrapper<String> stringWrapper = new DataWrapper<>("Hello Generics");String strData = stringWrapper.getData(); // 无需强制转换stringWrapper.printData(); // 输出：包装的数据：Hello Generics// 2. 包装Integer类型：指定T为IntegerDataWrapper<Integer> intWrapper = new DataWrapper<>(100);Integer intData = intWrapper.getData();intWrapper.printData(); // 输出：包装的数据：100// 3. 错误场景：存入不符合类型的数据会编译报错// intWrapper.setData("abc"); // 编译错误：不兼容的类型，无法将String转换为Integer}
}

注意：泛型类在创建对象时必须指定具体类型（如DataWrapper<String>），JDK 7 + 支持 “菱形语法”（new DataWrapper<>()），编译器会自动推断类型参数。

（二）泛型方法：将类型参数绑定到方法上

泛型方法是指在方法定义时单独声明类型参数，即使所在的类不是泛型类，也可以定义泛型方法。其语法格式为：

// 泛型方法：<类型参数> 放在返回值类型前
修饰符 <类型参数1, 类型参数2, ...> 返回值类型 方法名(参数列表) {// 方法体中使用类型参数
}

实例：实现一个通用的 “数组转集合” 方法

不同类型的数组（如String[]、Integer[]）需要转换为集合时，泛型方法可以统一处理：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;public class GenericMethodDemo {// 泛型方法：T为类型参数，接收T[]数组，返回List<T>public static <T> List<T> arrayToList(T[] array) {List<T> list = new ArrayList<>();for (T element : array) {list.add(element);}return list;}public static void main(String[] args) {// 1. String数组转List<String>String[] strArray = {"Java", "Generics", "Demo"};List<String> strList = arrayToList(strArray);System.out.println("String列表：" + strList); // 输出：[Java, Generics, Demo]// 2. Integer数组转List<Integer>Integer[] intArray = {1, 2, 3, 4};List<Integer> intList = arrayToList(intArray);System.out.println("Integer列表：" + intList); // 输出：[1, 2, 3, 4]// 3. 自动推断类型：无需显式指定<T>（JDK 7+支持）// 若显式指定，写法为：List<Double> doubleList = GenericMethodDemo.<Double>arrayToList(doubleArray);Double[] doubleArray = {1.1, 2.2};List<Double> doubleList = arrayToList(doubleArray);}
}

泛型方法的关键是类型参数声明在方法返回值之前，这是它与泛型类中方法的核心区别（泛型类的方法使用的是类的类型参数）。

（三）泛型接口：将类型参数绑定到接口上

泛型接口与泛型类类似，在接口定义时声明类型参数，实现接口的类需要指定具体类型，或继续保留类型参数（成为泛型类）。其语法格式为：

// 定义泛型接口：<类型参数> 放在接口名后
interface 接口名<类型参数1, 类型参数2, ...> {// 类型参数可用于方法返回值或参数类型参数1 方法名(类型参数2 参数名);
}

实例：实现一个通用的 “数据处理器” 接口

假设需要处理不同类型的数据（如 String、User），定义泛型接口后，不同实现类可针对性处理：

// 泛型接口：T为待处理的数据类型
interface DataProcessor<T> {// 处理数据的方法：接收T类型，返回T类型（处理后结果）T process(T data);
}// 实现1：处理String类型（转为大写）
class StringProcessor implements DataProcessor<String> {@Overridepublic String process(String data) {return data.toUpperCase(); // 输入"hello"，输出"HELLO"}
}// 实现2：处理Integer类型（加10）
class IntegerProcessor implements DataProcessor<Integer> {@Overridepublic Integer process(Integer data) {return data + 10; // 输入20，输出30}
}// 使用泛型接口
public class GenericInterfaceDemo {public static void main(String[] args) {DataProcessor<String> stringProcessor = new StringProcessor();System.out.println(stringProcessor.process("hello")); // 输出：HELLODataProcessor<Integer> integerProcessor = new IntegerProcessor();System.out.println(integerProcessor.process(20)); // 输出：30}
}

注意：若实现类不想指定具体类型，可继续保留泛型参数（如class UserProcessor<T> implements DataProcessor<T>），此时实现类也是泛型类。

三、泛型的进阶特性：边界、通配符与类型擦除

掌握基础语法后，还需要理解泛型的进阶特性，包括泛型边界（限制类型参数的范围）、通配符（灵活处理未知类型）和类型擦除（泛型的底层实现原理）。

（一）泛型边界：限制类型参数的范围

默认情况下，泛型的类型参数可以是任意类（如T可以是String、Integer、User等）。但有时需要限制类型参数的范围（如仅允许 “Number 的子类” 或 “实现了 Serializable 接口的类”），这就需要用到泛型边界，通过extends关键字实现（注意：泛型中extends既表示 “继承类”，也表示 “实现接口”）。

语法格式：

// 单个边界：T必须是BoundClass的子类或实现类
class 类名<T extends BoundClass> { ... }// 多个边界：T必须同时满足所有边界（类在前，接口在后，用&分隔）
class 类名<T extends BoundClass & BoundInterface1 & BoundInterface2> { ... }

实例 1：限制类型参数为 “Number 的子类”

假设需要一个计算 “数值总和” 的工具类，仅允许处理数字类型（如 Integer、Double），可限制T extends Number：

// 泛型类：T必须是Number的子类（如Integer、Double）
class NumberSumCalculator<T extends Number> {private List<T> numbers;public NumberSumCalculator(List<T> numbers) {this.numbers = numbers;}// 计算总和：利用Number的doubleValue()方法（所有子类都实现了该方法）public double calculateSum() {double sum = 0.0;for (T num : numbers) {sum += num.doubleValue(); // 若没有边界限制，num无法调用doubleValue()}return sum;}
}// 使用
public class GenericBoundDemo1 {public static void main(String[] args) {// 1. 处理Integer列表List<Integer> intList = List.of(1, 2, 3);NumberSumCalculator<Integer> intCalculator = new NumberSumCalculator<>(intList);System.out.println("Integer总和：" + intCalculator.calculateSum()); // 输出：6.0// 2. 处理Double列表List<Double> doubleList = List.of(1.5, 2.5, 3.5);NumberSumCalculator<Double> doubleCalculator = new NumberSumCalculator<>(doubleList);System.out.println("Double总和：" + doubleCalculator.calculateSum()); // 输出：7.5// 3. 错误场景：传入非Number类型（如String）会编译报错// List<String> strList = List.of("1", "2");// NumberSumCalculator<String> strCalculator = new NumberSumCalculator<>(strList); // 编译错误}
}

实例 2：多个边界（类 + 接口）

限制类型参数同时是 “User 的子类” 且 “实现了 Comparable 接口”：

class User {private String name;// 省略构造器、getter、setter
}// 泛型类：T必须是User的子类，且实现Comparable接口
class UserSorter<T extends User & Comparable<T>> {public void sort(List<T> users) {users.sort((u1, u2) -> u1.compareTo(u2)); // 因T实现Comparable，可调用compareTo()}
}

（二）通配符：灵活处理未知的泛型类型

当需要处理 “未知类型的泛型” 时（如接收任意类型的List），可以使用通配符（?）。通配符分为三种：无界通配符、上界通配符、下界通配符。

1. 无界通配符（?）：表示 “任意类型”

适用于仅需要读取泛型对象，且不关心具体类型的场景（如打印任意List的内容）。

// 无界通配符：接收任意类型的List
public static void printList(List<?> list) {for (Object obj : list) {System.out.print(obj + " ");}System.out.println();
}// 使用
public class WildcardDemo1 {public static void main(String[] args) {List<String> strList = List.of("A", "B", "C");List<Integer> intList = List.of(1, 2, 3);List<User> userList = List.of(new User("Alice"), new User("Bob"));// 同一方法处理不同类型的ListprintList(strList);   // 输出：A B C printList(intList);   // 输出：1 2 3 printList(userList);  // 输出：User{name='Alice'} User{name='Bob'} }
}

注意：无界通配符的List<?>与List<Object>不同：

  • List<Object>可以存入任意类型的数据（如list.add("a")、list.add(1)）；
  • List<?>表示 “未知类型的 List”，编译器无法确定类型，因此不允许添加非 null 的数据（仅允许list.add(null)），只能读取（读取到的是Object类型）。

2. 上界通配符（? extends 边界）：表示 “边界的子类或实现类”

适用于需要读取泛型对象，且类型范围有限制的场景（如读取 “Number 子类的 List”）。

// 上界通配符：接收Number子类的List（如Integer、Double）
public static double sumNumberList(List<? extends Number> list) {double sum = 0.0;for (Number num : list) {sum += num.doubleValue(); // 因类型是Number子类，可调用doubleValue()}return sum;
}// 使用
public class WildcardDemo2 {public static void main(String[] args) {List<Integer> intList = List.of(1, 2, 3);List<Double> doubleList = List.of(1.5, 2.5);System.out.println(sumNumberList(intList));  // 输出：6.0System.out.println(sumNumberList(doubleList));// 输出：4.0// 错误场景：传入非Number子类的List（如String）会编译报错// List<String> strList = List.of("1", "2");// sumNumberList(strList); // 编译错误}
}

注意：上界通配符List<? extends Number>同样不允许添加数据（例如，无法确定 List 是Integer还是Double，添加1或1.5都可能出错），仅支持读取。

3. 下界通配符（? super 边界）：表示 “边界的父类或超类”

适用于需要向泛型对象中添加数据，且类型范围有限制的场景（如向 “Integer 父类的 List” 中添加 Integer）。

// 下界通配符：接收Integer父类的List（如Integer、Number、Object）
public static void addIntegers(List<? super Integer> list) {list.add(10);   // 允许添加Integer类型（因父类List可接收子类对象）
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