一篇文章告訴你如何使用Java泛型?

編程語言 Java 數據結構 文章 IT168企業級 IT168企業級 2017-08-29

只要瞭解了泛型的一般使用情況就能夠解決多半的問題。所以,首先我們來了解一下什麼是泛型、為什麼要使用它以及應用方法。

什麼是泛型?

試想一個簡單的添加方法(method),如下:

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long,float 或 double 類型並不能當作輸入傳給這個方法。

如果從該方法中抽象出數據類型,就可以得到一個新的方式,如下。

在這裡,<T>是 泛型參數(也稱為類型變量),和給某一方法聲明的參數一樣。

給 <Integer> 或 <Double> 傳遞的泛型參數的值,與方法參數相似,叫做類型參數。

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現在考慮數據結構,簡單起見,我們來想一想數組。我們能夠創建一個任意類型的數組嗎?不可以。我們只能創建一個整數數組、浮點數數組或者其他一種特定類型的數組。好了,忘掉所有編程語言裡實現數組的方法,然後問一個問題:“我們是否可以從這個數據結構中抽象出一種數據類型?”

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答案是肯定的。Java 中的 ArrayList 就是做這件事的一種類。通過 List = new ArrayList<>(); 就能創建一個字符串數組,當整數作為類型參數時,它就是整數數組,其他的也類似。

雖然我們用 ArrayList 作為例子,但由於其複雜性,我們不會討論他們具體是怎麼實現的。我們會借鑑一個盒子並思考怎麼把這個盒子做出來,而這個盒子就是某個特定類型的通用框架(a Generic box from a Specific Typed box)。

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思考以下代碼,將一個字符串放進特定字符串框架(SpecifizedStringBox)對象中,然後以此獲得一個字符串。

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現在,如果從該對象中抽取其數據類型“Type”,就得到一個由以下代碼代表的通用框架(GenericBox,也就是泛型),而該框架可以使用 String、Integer、Boolean 等任意數據類型。

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所以,使用泛型,就是要從某個方法(method)或者類(class)中,抽象出一種適用於任意類型的通用方法/類。

為什麼要用泛型?

簡單點的答案就是,通過泛型抽象數據類型後,你的代碼可以重複使用並且易於維護。

泛型應用在什麼地方?

看起來似乎通過重構已有特定類型的方法或框架,就能應用泛型。在處理數據結構和原始數據類型時,似乎還挺容易,但是我們總會在各不相同的類中建立大量的數據類型。泛型編程模式(Generic Programming Paradigm)和 面向對象編程(OOP)混合在一起時,就很難決定是否要使用泛型。理解在哪裡應用泛型,問題就解決了一半。

本文就將帶你瞭解一些典型的泛型用例,包括其使用場景,也可以讓你在遇到同類型問題時能夠合理應用泛型。

Java 在 JDK 5.0 中引用泛型的目的在於:

  1. 類型安全性(Type safety):一旦使用類型參數後,在該方法或框架中就不存在其他的數據類型,同時也避免了類型轉化的需求;

  2. 通用編程及參數的多態性。

C++ 的模版編程能幫我們實現通用編程及參數的多態性,根據數據的類型(預定義或用戶定義的)轉化同樣的算法模型,達到複用同一個代碼或程序的目的。在 Java 中也可以使用類似的方法。

現在來看一下幾個常用的泛型用例。

用例 1 : 泛型的第一級別用法是算法和數據類型

算法和數據結構並行,數據類型的微小變化可能會改變一個算法的複雜性。

數據結構中的數據有類型,用泛型將這種類型抽取出來,可以作為類型參數。而算法的輸入參數也具有數據類型,同樣,通過泛型可以將該類型從輸入參數中抽象出來。因此,泛型適用於使用特定數據結構的任意一種算法。

不過事實上,泛型主要用於 Java 的集合 API。

如果你自己寫數據結構,那麼一定試試利用泛型。除了Java 的集合 API,你也會在 Guava、Apache Common Collection、FastUtils、JCtools 和 Eclipse Collection 裡發現其他對泛型更好的應用。

用例 2 :數值輸入框或者單個元素的容器

具備可通用類型的數據結構,可以稱之為泛型框架(Generics Boxes)。例如 ArrayList、LinkedList 等等這樣的類就代表數據類型,同時為他們同類型的數據起著泛型框架的作用。

有時候,通用框架以單個元素而不是集合的形式出現。諸如 Map 映射中的輸入 <K, V>,節點 <K , V>,數據對 <K, V>,以及其他代數數據類型,像是可選項 <T> , 選擇 <U, V> 等等,它們只作為特定類型數據的依託(Holder)或封裝器(wrapper)而已。

ThreadLocal 和 AtomicReference 在適用於併發訪問算法的單元素容器中,是非常好的例子。

類似的用法有時合理,而有一些則不太適用。 一個盒子在早期確實可以容納任何類型的物品,但現在會將其進行分類:這個盒子用來裝玩具,而下一個盒子用來裝筆,等等。

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杯子是很好的例子,可以把它比做實時對象類型的依託物(Holder),它可以裝茶、咖啡或者任何飲料。公交上可以坐男人和女人,如果讓公交具備類型安全性且只允許女人上車,那麼我們可以稱之為女士公交。這種比喻可能有點欠妥,但它提出了商業用例,尤其是封裝器或者依託物也具有應用泛型的可能。嘗試詢問業務的封裝或依託是否有使用數據結構的傾向,如果有,那麼使用泛型會更好。

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用例類型 3 :抽象類型的泛型工具方法

泛型算法不一定總是和特定的數據結構或算法綁定在一起。有時,基於實際應用的滿意度,它還可以應用在大多數抽象數據結構組中。

在 Java 中就有該Collections工具類。

查看以下方法,瞭解什麼方法能適用:

Collection Factories Methods, Empty/Singleton

  • emptyList, emptyMap, emptySet

  • singleton, singletonList, singletonMap

封裝方法(Synchronized, UnModifiable, Checked Collection):

  • synchronizedCollection, synchronizedSet, synchronizedMap

  • unmodifiableCollection, unmodifiableSet, unmodifiableList

  • checkedCollection, checkedList, checkedSet

還有一些泛型方法,可歸為四大類:

1. 更改列表中的元素順序:reverse,rotate,shuffle,sort,swap;

2. 更改列表內容:copy, fill, replaceAll;

3. 在集合中尋找極值:最大值,最小值;

4. 在列表中查找特定值:binarySearch,indexOfSubList,lastIndexOfSubList。

由於他們適用於列表中的任意類型,這些都是可複用的功能。我們會發現,大多數集合都適用泛型方法。

用例類型 4 :泛型方法用於類的分層並行結構中

Spring 框架中的 JpaRepository、CrudRepository 都已使用泛型構建,創建、更新、查找、查找所有、刪除等等,是適用於所有實體的泛型方法。

需要給每個實體創建一個並行數據訪問對象(DAO)類時,會出現類的分層並行結構(parallel hierarchy of classes)。 不過 DAO 模式並不是其出現的唯一情況。

如果為了提供更多可能的方法實例,我們可以通過將方法與對象解除聯繫的方式,來應用策略模式(Strategy Pattern)處理業務問題,這時類的分層並行結構就會出現。

每當我們添加一個新類,就會增加一個並行的測試用例。如果需要工廠,我們就添加一個並行工廠類。 類的分層並行結構出現在業務用例中。試想一輛新車,比如“大巴車”,把它添加到以下的車輛層級中時,可能還需要添加一個“大巴車司機”的類。

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來看以下分層並行類和其泛型的例子:

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用例類型 5 : 創建類型安全的異構容器

集合 <String> 是均質容器的一個示例,任何字符串以外的東西都不能放進該框架裡。而集合 <Object> 是異構容器的一個例子,可以放入任意對象。集合 <Object> 便不是類型安全的,需要檢查類型、進行轉換,類似於原始類型的集合(原始類型是沒有泛型類型參數的通用類型,它將對象視為默認的類型參數)。Java 沒有為類型安全的異構容器提供第一級別的支持。

在集合 <String> 中,類型參數“String”被用作類型參數“T”,以確保類型安全。但是對於 Map<String, String>,它卻有兩個類型參數,通過之前Java 集合 API 的例子,通常泛型會限制每個容器類型參數的數量為一個定值。可以將類型參數設置在Map映射的鍵(key)上,而不是容器上,從而繞過這個限制。在建立類型安全的異構容器/Map映射時,利用類對象作為鍵。

像是 bean 容器,異常處理程序容器,或服務查找容器都是異構容器的示例,都可以使用泛型來進行類型安全化,方法既使用類對象作為鍵實現動態轉換。

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