一、引入泛型机制的原因
假如我们想要实现一个String数组，并且要求它可以动态改变大小，这时我们都会想到用ArrayList来聚合String对象。然而，过了一阵，我们想要实现一个大小可以改变的Date对象数组，这时我们当然希望能够重用之前写过的那个针对String对象的ArrayList实现。
在Java 5之前，ArrayList的实现大致如下：
public class ArrayList {
public Object get(int i) { ... }
public void add(Object o) { ... }
...
private Object[] elementData;
}
基于继承的泛型实现会带来两个问题：第一个问题是有关get方法的，我们每次调用get方法都会返回一个Object对象，每一次都要强制类型转换为我们需要的类型，这样会显得很麻烦；第二个问题是有关add方法的，假如我们往聚合了String对象的ArrayList中加入一个File对象，编译器不会产生任何错误提示，而这不是我们想要的。
所以，从Java 5开始，ArrayList在使用时可以加上一个类型参数（type parameter），这个类型参数用来指明ArrayList中的元素类型。类型参数的引入解决了以上提到的两个问题，如以下代码所示：
ArrayList<String> s = new ArrayList<String>();
s.add("abc");
String s = s.get(0); //无需进行强制转换
s.add(123); //编译错误，只能向其中添加String对象
...
在以上代码中，编译器“获知”ArrayList的类型参数String后，便会替我们完成强制类型转换以及类型检查的工作。
二、泛型类
public class Box<T> {
// T stands for "Type"
private T t;
public void set(T t) { this.t = t; }
public T get() { return t; }
}
这样我们的Box类便可以得到复用，我们可以将T替换成任何我们想要的类型：
Box<Integer> integerBox = new Box<Integer>();
Box<Double> doubleBox = new Box<Double>();
Box<String> stringBox = new Box<String>();
三、泛型方法
声明一个泛型方法很简单，只要在返回类型前面加上一个类似<K, V>的形式就行了：
public class Util {
public static <K, V> boolean compare(Pair<K, V> p1, Pair<K, V> p2) {
return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
p1.getValue().equals(p2.getValue());
}
}
public class Pair<K, V> {
private K key;
private V value;
public Pair(K key, V value) {
this.key = key;
this.value = value;
}
public void setKey(K key) { this.key = key; }
public void setValue(V value) { this.value = value; }
public K getKey() { return key; }
public V getValue() { return value; }
}
我们可以像下面这样去调用泛型方法：
Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.<Integer, String>compare(p1, p2);
或者在Java1.7/1.8利用type inference，让Java自动推导出相应的类型参数：
Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.compare(p1, p2);
四、边界符
现在我们要实现这样一个功能，查找一个泛型数组中大于某个特定元素的个数，我们可以这样实现：
public static <T> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
int count = 0;
for (T e : anArray)
if (e > elem) // compiler error
++count;
return count;
}
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>，所以编译器报错，那怎么解决这个问题呢？答案是使用边界符。
public interface Comparable<T> {
public int compareTo(T o);
}
public static <T extends Comparable<T>> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
int count = 0;
for (T e : anArray)
if (e.compareTo(elem) > 0)
++count;
return count;
}
五、通配符（PECS原则）
1 <? extends T>
首先我们先定义几个简单的类，下面我们将用到它：
class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}
class Orange extends Fruit {}
下面这个例子中，我们创建了一个泛型类Reader，然后在f1()中当我们尝试Fruit f = fruitReader.readExact(apples);编译器会报错，因为List<Fruit>与List<Apple>之间并没有任何的关系。
public class GenericReading {
static List<Apple> apples = Arrays.asList(new Apple());
static List<Fruit> fruit = Arrays.asList(new Fruit());
static class Reader<T> {
T readExact(List<T> list) {
return list.get(0);
}
}
static void f1() {
Reader<Fruit> fruitReader = new Reader<Fruit>();
// Errors: List<Fruit> cannot be applied to List<Apple>.
// Fruit f = fruitReader.readExact(apples);
}
public static void main(String[] args) {
f1();
}
}
但是按照我们通常的思维习惯，Apple和Fruit之间肯定是存在联系，然而编译器却无法识别，那怎么在泛型代码中解决这个问题呢？我们可以通过使用通配符来解决这个问题：
static class CovariantReader<T> {
T readCovariant(List<? extends T> list) {
return list.get(0);
}
}
static void f2() {
CovariantReader<Fruit> fruitReader = new CovariantReader<Fruit>();
Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);
Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);
}
public static void main(String[] args) {
f2();
}
这样就相当与告诉编译器， fruitReader的readCovariant方法接受的参数只要是满足Fruit的子类就行(包括Fruit自身)，这样子类和父类之间的关系也就关联上了。
2 <? super T>
上面我们看到了类似<? extends T>的用法，利用它我们可以从list里面get元素，那么我们可不可以往list里面add元素呢？我们来尝试一下：
public class GenericsAndCovariance {
public static void main(String[] args) {
// Wildcards allow covariance:
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
// Compile Error: can't add any type of object:
// flist.add(new Apple())
// flist.add(new Orange())
// flist.add(new Fruit())
// flist.add(new Object())
flist.add(null); // Legal but uninteresting
// We Know that it returns at least Fruit:
Fruit f = flist.get(0);
}
}
答案是否定，Java编译器不允许我们这样做，为什么呢？对于这个问题我们不妨从编译器的角度去考虑。因为List<? extends Fruit> flist它自身可以有多种含义：
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Fruit>();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Orange>();
- 当我们尝试add一个Apple的时候，flist可能指向new ArrayList<Orange>();
- 当我们尝试add一个Orange的时候，flist可能指向new ArrayList<Apple>();
- 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flist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(get)元素，而不能作为Consumer来对外获取(add)元素。
如果我们要add元素应该怎么做呢？可以使用<? super T>：
public class GenericWriting {
static List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>();
static List<Fruit> fruit = new ArrayList<Fruit>();
static <T> void writeExact(List<T> list, T item) {
list.add(item);
}
static void f1() {
writeExact(apples, new Apple());
writeExact(fruit, new Apple());
}
static <T> void writeWithWildcard(List<? super T> list, T item) {
list.add(item)
}
static void f2() {
writeWithWildcard(apples, new Apple());
writeWithWildcard(fruit, new Apple());
}
public static void main(String[] args) {
f1(); f2();
}
}
根据上面的例子，我们可以总结出一条规律，”Producer Extends, Consumer Super”：
- “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。
如果需要同时读取以及写入，那么我们就不能使用通配符了。
如何阅读过一些Java集合类的源码，可以发现通常我们会将两者结合起来一起用，比如像下面这样：
public class Collections {
public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
for (int i=0; i<src.size(); i++)
dest.set(i, src.get(i));
}
}
六、类型擦除
类型擦除就是说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根本就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，为了保持向下的兼容性，所以只能做类型擦除来兼容以前的非泛型代码。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。
我们先来看一下下面这个简单的例子：
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;
private Node next;
public Node(Object data, Node next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public Object getData() { return data; }
// ...
}
由于在虚拟机中泛型类Pair变为它的raw type，因而getData方法返回的是一个Object对象，而从编译器的角度看，这个方法返回的是我们实例化类时指定的类型参数的对象。实际上，是编译器帮我们完成了强制类型转换的工作。也就是说编译器会把对Node泛型类中getData方法的调用转化为两条虚拟机指令：
- 第一条是对raw type方法getFirst的调用，这个方法返回一个Object对象；
- 第二条指令把返回的Object对象强制类型转换为当初我们指定的类型参数类型。
七、泛型注意事项
1 不能用基本类型实例化类型参数
也就是说，以下语句是非法的：
Pair<int, int> pair = new Pair<int, int>();
2 不能抛出也不能捕获泛型类实例
泛型类扩展Throwable即为不合法，因此无法抛出或捕获泛型类实例。但在异常声明中使用类型参数是合法的：
public static <T extends Throwable> void doWork(T t) throws T {
try {
...
} catch (Throwable realCause) {
t.initCause(realCause);
throw t;
}
}
3 参数化类型的数组不合法
在虚拟机进行类型擦除后，实际上pairs成为了Pair[]数组，我们可以将它向上转型为Object[]数组。这时我们若往其中添加Pair<Date, Date>对象，便能通过编译时检查和运行时检查，而我们的本意是只想让这个数组存储Pair<String, String>对象，这会产生难以定位的错误。因此，Java不允许我们通过以上的语句形式声明并初始化一个泛型数组。
Pair<String, String>[] pairs = new Pair<String, String>[10];
可用如下语句声明并初始化一个泛型数组：
Pair<String, String>[] pairs = (Pair<String, String>[]) new Pair[10];
4 不能实例化类型变量
不能以诸如“new T(...)", "new T[...]", "T.class"的形式使用类型变量。Java禁止我们这样做的原因很简单，因为存在类型擦除，所以类似于"new T(...)"这样的语句就会变为”new Object(...)", 而这通常不是我们的本意。我们可以用如下语句代替对“new T[...]"的调用：
arrays = (T[]) new Object[N];
5 泛型类的静态上下文中不能使用类型变量
因为普通类中可以定义静态泛型方法，关于为什么有这样的规定，请考虑下面的代码：
public class People<T> {
public static T name;
public static T getName() {
...
}
}
我们知道，在同一时刻，内存中可能存在不只一个People<T>类实例。假设现在内存中存在着一个People<String>对象和People<Integer>对象，而类的静态变量与静态方法是所有类实例共享的。那么问题来了，name究竟是String类型还是Integer类型呢？基于这个原因，Java中不允许在泛型类的静态上下文中使用类型变量。
