Java 泛型与通配符：核心原理与实战应用

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Java 泛型与通配符：核心原理与实战应用

1.1 本章学习目标与重点

💡 掌握泛型的核心概念与设计初衷，理解泛型的编译期检查机制。 💡 熟练使用泛型类、泛型接口和泛型方法，解决数据类型安全问题。 💡 理解通配符（?）、上界通配符（? extends T）和下界通配符（? super T）的使用场景。 ⚠️ 本章重点是 泛型的擦除机制 和 通配符的灵活运用，这是提升代码通用性和安全性的关键。

1.2 泛型的核心概念与设计初衷

1.2.1 为什么需要泛型

在没有泛型的 JDK 5 之前，集合类只能存储 Object 类型的对象。获取元素时需要强制类型转换，这会带来两个严重问题：

类型不安全：可以向集合中添加任意类型的对象，运行时可能抛出 ClassCastException。
代码臃肿：频繁的强制类型转换会让代码可读性和维护性变差。

💡 泛型的出现就是为了解决这些问题，它的核心思想是 将类型参数化。在定义类、接口或方法时，用一个标识符表示类型，使用时再指定具体类型。泛型可以在编译期进行类型检查，避免运行时的类型转换异常，同时简化代码。

1.2.2 泛型的核心优势

编译期类型安全：编译器会检查集合中元素的类型，不允许添加错误类型的对象。
消除强制类型转换：获取元素时无需手动转换类型，代码更简洁。
代码复用性高：一套泛型代码可以适配多种数据类型，无需重复编写。

✅ 核心结论：泛型是一种编译期技术，它的作用是在编译阶段保证类型安全，运行时泛型信息会被擦除。

1.3 泛型的三种使用方式

1.3.1 泛型类

💡 泛型类是在类的定义时声明类型参数，语法格式为 class 类名<T>。其中 T 是类型参数，可以是任意标识符，常用的有 T（Type）、E（Element）、K（Key）、V（Value）。

代码实操：自定义泛型集合类

我们实现一个简单的泛型顺序表 GenericArrayList，支持任意类型的数据存储：

public class GenericArrayList<T> {
    // 底层数组，存储泛型类型数据
    private Object[] elementData;
    // 集合大小
    private int size;
    // 默认初始容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    // 无参构造
    public GenericArrayList() {
        elementData = new Object[DEFAULT_CAPACITY];
    }

    // 有参构造，指定初始容量
    public GenericArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("初始容量不能为负数：" + initialCapacity);
        }
        elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    // 添加元素
    public void add(T t) {
        // 扩容判断
        if (size == elementData.length) {
            grow();
        }
        elementData[size++] = t;
    }

    // 获取元素
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public T get(int index) {
        // 索引合法性检查
        if (index < 0 || index >= size) {
            throw new IndexOutOfBoundsException("索引越界：" + index);
        }
        // 强制类型转换，通过泛型保证类型安全
        return (T) elementData[index];
    }

    // 数组扩容
    private void grow() {
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 扩容为原来的 1.5 倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        elementData = java.util.Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

    // 获取集合大小
    public int size() {
        return size;
    }

    // 测试方法
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 存储 String 类型
        GenericArrayList<String> strList = new GenericArrayList<>();
        strList.add("Java");
        strList.add("泛型");
        // 编译期检查，不允许添加非 String 类型
        // strList.add(123); 编译报错
        String str = strList.get(0);
        System.out.println("String 集合元素：" + str);

        // 2. 存储 Integer 类型
        GenericArrayList<Integer> intList = new GenericArrayList<>();
        intList.add(1);
        intList.add(2);
        Integer num = intList.get(1);
        System.out.println("Integer 集合元素：" + num);
    }
}

输出结果

String 集合元素：Java Integer 集合元素：2

⚠️ 注意事项：

泛型类的类型参数不能是基本数据类型，只能是引用数据类型。如果需要存储基本类型，需使用对应的包装类，如 Integer 代替 int。
泛型类的静态方法中不能使用类的泛型参数，因为静态方法属于类，而泛型参数是在创建对象时指定的。

1.3.2 泛型接口

💡 泛型接口的定义与泛型类类似，语法格式为 interface 接口名<T>。实现泛型接口时，可以指定具体类型，也可以继续使用泛型参数。

代码实操：自定义泛型迭代器接口

// 泛型迭代器接口
public interface GenericIterator<T> {
    // 判断是否有下一个元素
    boolean hasNext();
    // 获取下一个元素
    T next();
}

// 实现类 1：指定具体类型为 String
public class StringIterator implements GenericIterator<String> {
    private String[] array;
    private int index;

    public StringIterator(String[] array) {
        this.array = array;
        this.index = 0;
    }

    @Override
    public boolean hasNext() {
        return index < array.length;
    }

    @Override
    public String next() {
        return array[index++];
    }
}

// 实现类 2：继续使用泛型参数
public class ArrayIterator<T> implements GenericIterator<T> {
    private T[] array;
    private int index;

    public ArrayIterator(T[] array) {
        this.array = array;
        this.index = 0;
    }

    
       {
         index < array.length;
    }

    
     T  {
         array[index++];
    }
}


   {
        {
        
        String[] strArray = {, , };
        GenericIterator<String> strIterator =  (strArray);
         (strIterator.hasNext()) {
            System.out.println(strIterator.next());
        }

        
        Integer[] intArray = {, , };
        GenericIterator<Integer> intIterator =  <>(intArray);
         (intIterator.hasNext()) {
            System.out.println(intIterator.next());
        }
    }
}

输出结果

A B C 1 2 3

1.3.3 泛型方法

💡 泛型方法是在方法声明时指定类型参数，它可以定义在普通类中，也可以定义在泛型类中。语法格式为 public <T> 返回值类型方法名 (T 参数)。

泛型方法的核心特点是 类型参数由方法的调用者决定，与类的泛型参数无关。

代码实操：泛型工具方法封装

import java.util.Arrays;

public class GenericMethodUtil {
    // 泛型方法：数组转集合
    public static <T> GenericArrayList<T> arrayToList(T[] array) {
        GenericArrayList<T> list = new GenericArrayList<>();
        for (T t : array) {
            list.add(t);
        }
        return list;
    }

    // 泛型方法：交换数组中两个元素的位置
    public static <T> void swap(T[] array, int i, int j) {
        if (i < 0 || i >= array.length || j < 0 || j >= array.length) {
            throw new IndexOutOfBoundsException("索引越界");
        }
        T temp = array[i];
        array[i] = array[j];
        array[j] = temp;
    }

    // 测试方法
    public static void main(String[] args) {
        // 测试数组转集合
        String[] strArray = {"Java", "泛型", "方法"};
        GenericArrayList<String> strList = GenericMethodUtil.arrayToList(strArray);
        System.out.println("数组转集合大小：" + strList.size());

        // 测试交换数组元素
        Integer[] intArray = {10, 20, 30, 40};
        System.out.println( + Arrays.toString(intArray));
        GenericMethodUtil.swap(intArray, , );
        System.out.println( + Arrays.toString(intArray));
    }
}

输出结果

数组转集合大小：3 交换前数组：[10, 20, 30, 40] 交换后数组：[10, 40, 30, 20]

💡 技巧：泛型方法可以配合可变参数使用，进一步提升灵活性。例如：

public static <T> GenericArrayList<T> createList(T... elements) {
    GenericArrayList<T> list = new GenericArrayList<>();
    for (T t : elements) {
        list.add(t);
    }
    return list;
}

// 调用方式
GenericArrayList<Integer> list = GenericMethodUtil.createList(1, 2, 3, 4);

1.4 泛型的高级特性

1.4.1 泛型的擦除机制

💡 泛型是编译期特性，在运行时 JVM 会擦除泛型信息，这个过程称为类型擦除。类型擦除的规则：

泛型类、接口和方法的类型参数会被擦除为其上限类型，如果没有指定上限，则擦除为 Object。
编译器会在必要的地方插入强制类型转换代码，保证运行时的类型正确性。

例如，我们定义的 GenericArrayList<String> 在运行时会被擦除为 GenericArrayList<Object>。获取元素时，编译器会自动插入 (String) 强制类型转换代码。

类型擦除的验证

通过反射可以验证类型擦除的存在，因为反射是运行时机制，可以获取到擦除后的类型信息：

import java.lang.reflect.Field;

public class GenericErasureTest {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException {
        GenericArrayList<String> strList = new GenericArrayList<>();
        // 通过反射获取底层数组的类型
        Field field = GenericArrayList.class.getDeclaredField("elementData");
        field.setAccessible(true);
        Class<?> type = field.getType().getComponentType();
        System.out.println("底层数组的类型：" + type.getName());
    }
}

输出结果

底层数组的类型：java.lang.Object

⚠️ 注意事项：类型擦除会导致泛型不支持重载。例如，以下两个方法在编译后会变成相同的签名，编译器会报错：

// 编译报错：方法重复定义
public void method(GenericArrayList<String> list) {}
public void method(GenericArrayList<Integer> list) {}

1.4.2 泛型的上下界限定

💡 在定义泛型时，可以通过 extends 关键字限制类型参数的上限，通过 super 关键字限制类型参数的下限（仅在通配符中使用）。 上限限定的语法：<T extends 类型>，表示 T 必须是该类型的子类或本身。 多个上限的语法：<T extends 类型 1 & 类型 2>，表示 T 必须同时实现多个接口（类只能有一个，且放在最前面）。

代码实操：泛型上限限定

我们实现一个泛型方法，用于计算数组中元素的总和，要求元素类型必须是 Number 的子类：

public class GenericBoundsTest {
    // 泛型上限限定：T 必须是 Number 的子类
    public static <T extends Number> double sum(T[] array) {
        double sum = 0.0;
        for (T t : array) {
            sum += t.doubleValue();
        }
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Integer[] intArray = {1, 2, 3, 4, 5};
        System.out.println("Integer 数组总和：" + sum(intArray));
        Double[] doubleArray = {1.1, 2.2, 3.3};
        System.out.println("Double 数组总和：" + sum(doubleArray));
        // String 类型不是 Number 的子类，编译报错
        // String[] strArray = {"1", "2"};
        // sum(strArray);
    }
}

输出结果

Integer 数组总和：15.0 Double 数组总和：6.6

1.5 通配符的使用与场景

1.5.1 通配符（?）的基本使用

💡 通配符 ? 表示任意类型，它可以用来解决泛型的类型不兼容问题。例如，GenericArrayList<Object> 不能接收 GenericArrayList<String> 对象，因为泛型是不协变的。此时可以使用通配符 GenericArrayList<?> 来接收任意类型的泛型实例。

代码实操：通配符的基本应用

public class WildcardBasicTest {
    // 使用通配符接收任意类型的 GenericArrayList
    public static void printList(GenericArrayList<?> list) {
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println("元素：" + list.get(i));
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        GenericArrayList<String> strList = new GenericArrayList<>();
        strList.add("Hello");
        strList.add("Wildcard");
        GenericArrayList<Integer> intList = new GenericArrayList<>();
        intList.add(100);
        intList.add(200);
        // 可以接收任意类型的泛型集合
        printList(strList);
        printList(intList);
    }
}

输出结果

元素：Hello 元素：Wildcard 元素：100 元素：200

⚠️ 注意事项：使用无界通配符 <?> 的集合，只能读取元素，不能添加元素（除了 null）。因为编译器无法确定集合的具体类型，添加任何类型的元素都可能破坏类型安全。

1.5.2 上界通配符（? extends T）

💡 上界通配符 ? extends T 表示任意 T 的子类或 T 本身。它的核心作用是 限定读取的上限，适合只读的场景。

代码实操：上界通配符的应用

我们实现一个方法，用于获取泛型集合中的最大值，要求元素类型必须实现 Comparable 接口：

public class WildcardExtendsTest {
    // 上界通配符：T 必须实现 Comparable 接口
    public static <T extends Comparable<T>> T getMax(GenericArrayList<? extends T> list) {
        if (list.size() == 0) {
            return null;
        }
        T max = list.get(0);
        for (int i = 1; i < list.size(); i++) {
            T current = list.get(i);
            if (current.compareTo(max) > 0) {
                max = current;
            }
        }
        return max;
    }

    public static void main(String[] args) {
        GenericArrayList<Integer> intList = new GenericArrayList<>();
        intList.add(5);
        intList.add(12);
        intList.add(3);
        System.out.println("Integer 集合最大值：" + getMax(intList));
        GenericArrayList<String> strList = new GenericArrayList<>();
        strList.add("Apple");
        strList.add("Banana");
        strList.add("Orange");
        System.out.println("String 集合最大值：" + getMax(strList));
    }
}

输出结果

Integer 集合最大值：12 String 集合最大值：Orange

✅ 核心结论：上界通配符 ? extends T 适合读取数据的场景，它可以接收 T 及其子类的泛型实例。

1.5.3 下界通配符（? super T）

💡 下界通配符 ? super T 表示任意 T 的父类或 T 本身。它的核心作用是 限定写入的下限，适合只写的场景。

代码实操：下界通配符的应用

我们实现一个方法，用于向泛型集合中添加指定类型的元素：

public class WildcardSuperTest {
    // 下界通配符：向集合中添加 Integer 类型的元素
    public static void addIntegers(GenericArrayList<? super Integer> list) {
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);
        // 可以添加 Integer 及其子类的元素
        // list.add(new Number()); 编译报错，Number 是 Integer 的父类
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 情况 1：集合类型为 Integer
        GenericArrayList<Integer> intList = new GenericArrayList<>();
        addIntegers(intList);
        System.out.println("Integer 集合大小：" + intList.size());

        // 情况 2：集合类型为 Number（Integer 的父类）
        GenericArrayList<Number> numList = new GenericArrayList<>();
        addIntegers(numList);
        System.out.println("Number 集合大小：" + numList.size());
    }
}

输出结果

Integer 集合大小：3 Number 集合大小：3

✅ 核心结论：下界通配符 ? super T 适合写入数据的场景，它可以接收 T 及其父类的泛型实例。

1.5.4 通配符的使用原则：PECS 原则

💡 PECS 原则是通配符使用的黄金法则，全称是 Producer Extends, Consumer Super。

Producer Extends：如果泛型对象是生产者（提供数据，只读），使用 ? extends T。
Consumer Super：如果泛型对象是消费者（消费数据，只写），使用 ? super T。

例如：

读取数据的 getMax 方法，使用 ? extends T。
写入数据的 addIntegers 方法，使用 ? super T。
既读又写的场景，不使用通配符，直接使用具体的泛型类型。

1.6 泛型的常见问题与解决方案

1.6.1 泛型数组的创建问题

⚠️ 不能直接创建泛型数组，例如 new T[10] 会编译报错。因为类型擦除后，JVM 无法确定数组的具体类型。 解决方案：

创建 Object 数组，然后强制类型转换。
使用反射创建泛型数组。

// 方式 1：Object 数组强制转换
T[] array = (T[]) new Object[10];

// 方式 2：反射创建泛型数组
public static <T> T[] createArray(Class<T> clazz, int size) {
    return (T[]) java.lang.reflect.Array.newInstance(clazz, size);
}

// 调用方式
String[] strArray = createArray(String.class, 5);

1.6.2 泛型与异常的问题

⚠️ 泛型不能用于异常类的定义和捕获，例如 class GenericException<T> extends Exception 会编译报错。原因：异常的处理是运行时机制，而泛型是编译期机制，类型擦除后无法区分不同的泛型异常类型。 解决方案：如果需要传递泛型数据，可以将泛型类型作为异常类的成员变量。

public class GenericException extends Exception {
    private Object data;

    public <T> GenericException(T data) {
        this.data = data;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public <T> T getData() {
        return (T) data;
    }
}

1.6.3 泛型与静态方法的问题

⚠️ 泛型类的静态方法不能使用类的泛型参数，因为静态方法属于类，在类加载时就已经确定，而泛型参数是在创建对象时指定的。 解决方案：将静态方法定义为泛型方法，使用自己的类型参数。

public class GenericClass<T> {
    // 错误写法：静态方法使用类的泛型参数
    // public static void method(T t) {}

    // 正确写法：使用泛型方法的类型参数
    public static <E> void method(E e) {}
}

1.7 实战案例：泛型集合工具类封装

1.7.1 需求分析

💡 封装一个通用的泛型集合工具类 GenericCollectionUtil，提供以下功能：

集合去重：去除泛型集合中的重复元素，保留插入顺序。
集合过滤：根据自定义规则过滤集合中的元素。
集合转换：将一种类型的集合转换为另一种类型的集合。

1.7.2 代码实现

import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedHashSet;
import java.util.List;
import java.util.function.Predicate;
import java.util.function.Function;

public class GenericCollectionUtil {
    /**
     * 泛型集合去重，保留插入顺序
     * @param list 待去重的集合
     * @param <T> 集合元素类型
     * @return 去重后的集合
     */
    public static <T> List<T> distinct(List<T> list) {
        if (list == null || list.isEmpty()) {
            return new ArrayList<>();
        }
        return new ArrayList<>(new LinkedHashSet<>(list));
    }

    /**
     * 泛型集合过滤
     * @param list 待过滤的集合
     * @param predicate 过滤规则
     * @param <T> 集合元素类型
     * @return 过滤后的集合
     */
    public static <T> List<T> filter(List<T> list, Predicate<T> predicate) {
        if (list == null || list.isEmpty() || predicate == null) {
            return new ArrayList<>();
        }
        List<T> result = new ArrayList<>();
        for (T t : list) {
            if (predicate.test(t)) {
                result.add(t);
            }
        }
        return result;
    }

    
      <T, R> List<R>  {
         (list ==  || list.isEmpty() || function == ) {
              <>();
        }
        List<R> result =  <>();
         (T t : list) {
               function.apply(t);
            result.add(r);
        }
         result;
    }

    
        {
        
        List<Integer> numList =  <>();
        numList.add();
        numList.add();
        numList.add();
        numList.add();
        List<Integer> distinctList = GenericCollectionUtil.distinct(numList);
        System.out.println( + distinctList);

        
        List<Integer> evenList = GenericCollectionUtil.filter(distinctList, num -> num %  == );
        System.out.println( + evenList);

        
        List<String> strList = GenericCollectionUtil.convert(evenList, String::valueOf);
        System.out.println( + strList);
    }
}

输出结果

去重后的集合：[1, 2, 3] 过滤后的偶数集合：[2] 转换后的字符串集合：[2]

1.7.3 案例总结

✅ 这个泛型工具类充分利用了泛型的特性，实现了对任意类型集合的通用操作。通过结合函数式接口（Predicate、Function），进一步提升了代码的灵活性和复用性。在实际开发中，这样的工具类可以大幅减少重复代码，提升开发效率。

1.8 本章总结

泛型的核心是类型参数化，它在编译期保证类型安全，运行时会发生类型擦除。
泛型的三种使用方式：泛型类、泛型接口、泛型方法，其中泛型方法的灵活性最高。
泛型的上下界限定可以限制类型参数的范围，提升代码的安全性。
通配符分为无界通配符（?）、上界通配符（? extends T）和下界通配符（? super T），遵循 PECS 原则使用。
泛型的常见问题包括泛型数组创建、泛型与异常、泛型与静态方法，需要通过特定方案解决。
泛型可以大幅提升代码的复用性和安全性，是 JAVA 进阶开发的必备技能。

Java 泛型与通配符：核心原理与实战应用