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【从零开始java学习|第二十三篇】泛型体系与通配符

news 2025/10/15 9:28:05

泛型是 Java 集合框架的核心特性之一，它通过参数化类型实现代码复用与类型安全。以下从泛型类、泛型方法、泛型接口、泛型通配符四个维度展开，并结合集合的继承关系说明其应用。

一、泛型类：集合的 “容器模板”

定义与语法

泛型类是在类定义时引入类型参数（如 <T>），使类的成员（变量、方法）可操作任意类型。集合框架中，ArrayList<E>、HashMap<K,V> 等均为泛型类。

// 自定义泛型类：MyList<T>，模拟ArrayList的简化版
class MyList<T> {private Object[] elements;private int size;public MyList() {elements = new Object[10];}// 泛型方法：添加元素（T类型）public void add(T item) {elements[size++] = item;}// 泛型方法：获取元素（返回T类型）public T get(int index) {return (T) elements[index];}
}

集合中的应用

ArrayList<E>：通过泛型类实现 “动态数组”，元素类型由<E>指定，避免装箱拆箱开销。
HashMap<K,V>：键值对的泛型类，<K>为键类型，<V>为值类型，保证键值对的类型安全。

二、泛型方法：集合工具的 “通用逻辑”

定义与语法

泛型方法是在方法返回值前声明类型参数（如 <T>），使其独立于类的泛型参数。集合工具类Collections中的sort、binarySearch等均为泛型方法。

// 自定义泛型方法：打印任意类型数组
public class CollectionUtils {public static <T> void printArray(T[] array) {for (T item : array) {System.out.print(item + " ");}System.out.println();}
}

泛型不具备继承性

泛型类型之间不存在继承关系，即使两个类存在继承关系，使用它们作为泛型参数的泛型类型之间也不会自动具有继承关系。例如，假设有类Animal和它的子类Dog，ArrayList<Dog> 不是 ArrayList<Animal> 的子类。

用代码示例可以更直观地说明：

import java.util.ArrayList;class Animal {}
class Dog extends Animal {}public class GenericInheritanceTest {public static void main(String[] args) {// 编译错误，因为ArrayList<Dog>不是ArrayList<Animal>的子类// ArrayList<Animal> animalList = new ArrayList<Dog>(); }
}

之所以会出现编译错误，是因为泛型类型的设计目的是提供类型安全。如果允许ArrayList<Dog> 是 ArrayList<Animal> 的子类，那么当从ArrayList<Animal>中获取元素时，编译器无法保证获取到的一定是Animal，可能会导致运行时的类型转换异常。比如：

import java.util.ArrayList;class Animal {}
class Dog extends Animal {}
class Cat extends Animal {}public class GenericInheritanceError {public static void main(String[] args) {ArrayList<Dog> dogList = new ArrayList<>();dogList.add(new Dog());// 假设允许这样的赋值ArrayList<Animal> animalList = dogList; animalList.add(new Cat()); // 这里编译时不会报错Dog dog = dogList.get(1); // 运行时会抛出ClassCastException，因为索引1处是Cat对象}
}

数据具备继承性

虽然泛型类型本身不具备继承性，但存储在泛型集合中的数据是具备继承性的。当定义一个泛型集合，比如ArrayList<Animal> 时，由于Dog、Cat 等类继承自Animal，所以可以将Dog、Cat 等Animal子类的对象添加到ArrayList<Animal> 中。

示例代码如下：

import java.util.ArrayList;class Animal {}
class Dog extends Animal {}
class Cat extends Animal {}public class DataInheritanceTest {public static void main(String[] args) {ArrayList<Animal> animalList = new ArrayList<>();animalList.add(new Dog()); // 可以添加Animal的子类对象animalList.add(new Cat());for (Animal animal : animalList) {// 可以按照Animal类型进行处理，也可以根据实际类型进行类型转换后处理System.out.println(animal.getClass().getSimpleName()); }}
}

这是因为 Java 的继承机制允许子类对象替代父类对象出现在需要父类对象的地方，也就是常说的里氏替换原则。在泛型集合中，只要集合声明的泛型类型是数据类型的父类，那么就可以将数据类型（子类）的对象添加进去，并且在遍历处理这些对象时，可以按照父类的方式统一处理，也可以根据实际的子类类型进行针对性处理。

集合中的应用

Collections.sort(List<T>)：通过泛型方法实现对任意List的排序，类型由<T>自动推断。
Stream<T> map(Function<T, R>)：Stream API 的泛型方法，支持链式操作中的类型转换。

三、泛型接口：集合的 “行为契约”

定义与语法

泛型接口是在接口定义时引入类型参数（如 <E>），实现类需指定具体类型或继续使用泛型。集合框架中，List<E>、Set<E>、Map<K,V> 均为泛型接口。

// 自定义泛型接口：表示“可迭代”的集合
interface Iterable<T> {Iterator<T> iterator();
}// 实现类：ArrayList实现Iterable<E>
class ArrayList<E> implements Iterable<E> {@Overridepublic Iterator<E> iterator() {return new ArrayListIterator();}private class ArrayListIterator implements Iterator<E> {// 迭代逻辑...}
}

集合中的应用

List<E>：定义 “有序集合” 的契约，子类（如ArrayList、LinkedList）需实现其方法。
Comparable<T>：泛型接口，用于对象排序（如Integer实现Comparable<Integer>）。

四、泛型通配符：处理集合的 “继承关系”

泛型本身不支持协变（子类型自动转换），需通过通配符（?、? extends T、? super T）解决集合的继承兼容问题。

1. 无界通配符 `?`

表示 “任意类型”，用于集合仅需操作Object方法（如toString()、equals()）的场景。

// 打印任意类型的集合
public static void printCollection(Collection<?> coll) {for (Object item : coll) {System.out.println(item);}
}

集合中的应用：

通用工具方法（如打印任意List、Set）。

2. 上限通配符 `? extends T`

表示 “T或T的子类”，遵循PECS 原则（Producer Extends）—— 仅用于 “读取” 数据（生产者）。

// 计算数值集合的总和（T必须是Number的子类）
public static double sum(Collection<? extends Number> nums) {double total = 0;for (Number num : nums) {total += num.doubleValue();}return total;
}

集合中的应用：

List<? extends Number> 可接收List<Integer>、List<Double>等，实现数值类型的统一处理。

3. 下限通配符 `? super T`

表示 “T或T的父类”，遵循PECS 原则（Consumer Super）—— 仅用于 “写入” 数据（消费者）。

// 向集合中添加整数（集合类型必须是Integer或其父类）
public static void addIntegers(List<? super Integer> list) {list.add(10);list.add(20);
}

集合中的应用：

List<? super Integer> 可接收List<Integer>、List<Number>、List<Object>，实现数据的向上兼容存储。

4. 泛型继承关系的处理

泛型不支持直接协变（如List<Integer>不是List<Number>的子类），但通过通配符可间接建立关系：

// 错误：泛型不支持直接协变
// List<Number> nums = new ArrayList<Integer>(); // 正确：通过上限通配符建立关系
List<? extends Integer> intList = new ArrayList<Integer>();
List<? extends Number> numList = intList; // 合法，因为Integer是Number的子类