Java——泛型

1、基本概念和原理

1.1、一个简单泛型类

1.1.1、基本概念

public class Pair<T> {
    T first;
    T second;

    public Pair(T first, T second) {
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    public T getFirst() {
        return first;
    }

    public T getSecond() {
        return second;
    }
}

Pair就是一个泛型类，与普通类的区别体现在：

1. 类名后面多了一个<T>
2. first和second的类型都是T

T是什么呢？T表示类型参数，泛型就是类型参数化，处理的数据类型不是固定的，而是可以作为参数传入。怎么用这个泛型类，并传递类型参数呢？看代码：

    public static void main(String[] args) {
        Pair<Integer> minmax = new Pair<>(1, 100);
        Integer min = minmax.getFirst();
        Integer max = minmax.getSecond();
    }

Pair中的Integer就是传递的实际类型参数。Pair类的代码和它处理的数据类型不是绑定的，具体类型可以变化。上面是Integer，也可以是String，比如：

Pair<String> kv = new Pair<String>("name", "老马");

类型参数可以有多个，Pair类中的first和second可以是不同的类型，多个类型之间以逗号分隔，来看改进后的Pair类定义：

public class Pair<U, V> {

    U first;
    V second;

    public Pair(U first, V second) {
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    public U getFirst() {
        return first;
    }

    public V getSecond() {
        return second;
    }
}

可以这样使用：

Pair<String, Integer> pair = new Pair<String, Integer>("老马",100);

<String, Integer>既出现在了声明变量时，也出现在了new后面，比较烦琐，从Java 7开始，支持省略后面的类型参数，可以如下使用：

Pair<String, Integer> pair = new Pair<>("老马",100);

1.1.2、基本原理

泛型类型参数到底是什么呢？为什么一定要定义类型参数呢？定义普通类，直接使用Object不就行了吗？比如，Pair类可以写为：

public class Pair {

    Object first;
    Object second;

    public Pair(Object first, Object second) {
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    public Object getFirst() {
        return first;
    }

    public Object getSecond() {
        return second;
    }
}

使用Pair的代码可以为：

    public static void main(String[] args) {
        Pair minmax = new Pair(1, 100);
        Integer min = (Integer)minmax.getFirst();
        Integer max = (Integer)minmax.getSecond();
        Pair kv = new Pair("name", "tom");
        String key = (String)kv.getFirst();
        String value = (String)kv.getSecond();
    }

这样是可以的。实际上，Java泛型的内部原理就是这样的。

我们知道，Java有Java编译器和Java虚拟机，编译器将Java源代码转换为．class文件，虚拟机加载并运行．class文件。对于泛型类，Java编译器会将泛型代码转换为普通的非泛型代码，就像上面的普通Pair类代码及其使用代码一样，将类型参数T擦除，替换为Object，插入必要的强制类型转换。Java虚拟机实际执行的时候，它是不知道泛型这回事的，只知道普通的类及代码。

Java为什么要这么设计呢？泛型是Java 5以后才支持的，这么设计是为了兼容性而不得已的一个选择。

1.1.3、泛型的好处

既然只使用普通类和Object就可以，而且泛型最后也转换为了普通类，那为什么还要用泛型呢？或者说，泛型到底有什么好处呢？泛型主要有两个好处：

• 更好的安全性。
• 更好的可读性。

语言和程序设计的一个重要目标是将bug尽量消灭在摇篮里，能消灭在写代码的时候，就不要等到代码写完程序运行的时候。只使用Object，代码写错的时候，开发环境和编译器不能帮我们发现问题，看代码：

Pair pair = new Pair("老马",1);
Integer id = (Integer)pair.getFirst();
String name = (String)pair.getSecond();

看出问题了吗？写代码时不小心把类型弄错了，不过，代码编译时是没有任何问题的，但运行时程序抛出了类型转换异常ClassCastException。如果使用泛型，则不可能犯这个错误，比如下面的代码：

Pair<String, Integer> pair = new Pair<>("老马",1);
Integer id = pair.getFirst(); //有编译错误
String name = pair.getSecond(); //有编译错误

开发环境（如Eclipse）会提示类型错误，即使没有好的开发环境，编译时Java编译器也会提示。这称之为类型安全，也就是说，通过使用泛型，开发环境和编译器能确保不会用错类型，为程序多设置一道安全防护网。使用泛型，还可以省去烦琐的强制类型转换，再加上明确的类型信息，代码可读性也会更好。

1.2、容器类

泛型类最常见的用途是作为容器类。所谓容器类，简单地说，就是容纳并管理多项数据的类。数组就是用来管理多项数据的，但数组有很多限制，比如，长度固定，插入、删除操作效率比较低。

我们来实现一个简单的动态数组容器。所谓动态数组，就是长度可变的数组。底层数组的长度当然是不可变的，但我们提供一个类，对这个类的使用者而言，好像就是一个长度可变的数组。Java容器中有一个对应的类ArrayList，我们来实现一个简化版，如代码所示。

public class DynamicArray<E> {
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;//默认容量
    private int size;//元素个数
    private Object[] elementData;//底层数组

    //默认构造
    public DynamicArray() {
        this.elementData = new Object[DEFAULT_CAPACITY];
    }
    
    //新增元素前的容量检查
    private void ensureCapacity(int minCapacity) {
        //当前元素个数
        int oldCapacity = elementData.length;
        //容量够用
        if(oldCapacity >= minCapacity) {
            return;
        }
        //不够，扩容一倍
        int newCapacity = oldCapacity * 2;
        //新容量小于指定容量则使用指定容量
        if(newCapacity < minCapacity) {
            newCapacity = minCapacity;
        }
        //移动旧元素，返回新的底层数组
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
    
    //尾部新增元素
    public void add(E e) {
        ensureCapacity(size + 1);
        elementData[size++] = e;
    }
    
    //根据索引获取元素
    public E get(int index) {
        return (E)elementData[index];
    }
    
    //获取元素个数
    public int size() {
        return size;
    }
    
    //根据索引设置元素
    public E set(int index, E element) {
        E oldValue = get(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }
}

DynamicArray就是一个动态数组，内部代码与我们之前分析过的StringBuilder类似，通过ensureCapacity方法来根据需要扩展数组。作为一个容器类，它容纳的数据类型是作为参数传递过来的，比如，存放Double类型：

    public static void main(String[] args) {
        DynamicArray<Double> arr = new DynamicArray<>();
        Random random = new Random();
        int size = 1 + random.nextInt(100);
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            arr.add(Math.random());
        }
        Double d = arr.get(random.nextInt(size));
    }

这就是一个简单的容器类，适用于各种数据类型，且类型安全。后文还会以Dynamic-Array为例进行扩展，以解释泛型概念。

具体的类型还可以是一个泛型类，比如，可以这样写：

DynamicArray<Pair<Integer, String>> arr = new DynamicArray<>()

arr表示一个动态数组，每个元素是Pair<Integer, String>类型。

1.3、泛型方法

除了泛型类，方法也可以是泛型的，而且，一个方法是不是泛型的，与它所在的类是不是泛型没有什么关系。我们看个例子：

public static <T> int indexOf(T[] arr, T elm){
    for(int i=0; i<arr.length; i++){
        if(arr[i].equals(elm)){
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

这个方法就是一个泛型方法，类型参数为T，放在返回值前面，它可以如下调用：

indexOf(new Integer[]{1,3,5}, 10)
//也可以如下调用
indexOf(new String[]{"hello", "老马", "编程"}, "老马")

indexOf表示一个算法，在给定数组中寻找某个元素，这个算法的基本过程与具体数据类型没有什么关系，通过泛型，它可以方便地应用于各种数据类型，且由编译器保证类型安全。

与泛型类一样，类型参数可以有多个，以逗号分隔，比如：

public static <U, V> Pair<U, V> makePair(U first, V second){
    Pair<U, V> pair = new Pair<>(first, second);
    return pair;
}

与泛型类不同，调用方法时一般并不需要特意指定类型参数的实际类型，比如调用make-Pair：

makePair(1, "老马");

并不需要告诉编译器U的类型是Integer, V的类型是String, Java编译器可以自动推断出来。

1.4、泛型接口

接口也可以是泛型的，我们之前介绍过的Comparable和Comparator接口都是泛型的，它们的代码如下：

public interface Comparable<T> {
   public int compareTo(T o);
}
public interface Comparator<T> {
   int compare(T o1, T o2);
   boolean equals(Object obj);
}

与前面一样，T是类型参数。实现接口时，应该指定具体的类型，比如，对Integer类，实现代码是：

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer>{
    public int compareTo(Integer anotherInteger) {
        return compare(this.value, anotherInteger.value);
    }
    //其他代码
}

通过implements Comparable<Integer>, Integer实现了Comparable接口，指定了实际类型参数为Integer，表示Integer只能与Integer对象进行比较。

再看Comparator的一个例子，String类内部一个Comparator的接口实现为：

private static class CaseInsensitiveComparator
        implements Comparator<String> {
    public int compare(String s1, String s2) {
        //省略主体代码
    }
}

这里，指定了实际类型参数为String。

1.5、类型参数的限定

1.5.1、上界为某个具体类

比如，上面的Pair类，可以定义一个子类NumberPair，限定两个类型参数必须为Number，代码如下：

public class NumberPair<U extends Number, V extends Number>
   extends Pair<U, V> {
   public NumberPair(U first, V second) {
       super(first, second);
   }
}

限定类型后，就可以使用该类型的方法了。比如，对于NumberPair类，first和second变量就可以当作Number进行处理了。比如可以定义一个求和方法，如下所示：

public double sum(){
    return getFirst().doubleValue() +getSecond().doubleValue();
}

可以这么用：

NumberPair<Integer, Double> pair = new NumberPair<>(10, 12.34);
double sum = pair.sum();

限定类型后，如果类型使用错误，编译器会提示。指定边界后，类型擦除时就不会转换为Object了，而是会转换为它的边界类型，这也是容易理解的。

1.5.2、上界为某个接口

在泛型方法中，一种常见的场景是限定类型必须实现Comparable接口，我们来看代码：

    public static <T extends Comparable> T max(T[] arr) {
        T max = arr[0];
        for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
            if(arr[i].compareTo(max) > 0) {
                max = arr[i];
            }
        }
        return max;
    }

max方法计算一个泛型数组中的最大值。计算最大值需要进行元素之间的比较，要求元素实现Comparable接口，所以给类型参数设置了一个上边界Comparable, T必须实现Comparable接口。

不过，直接这么编写代码，Java中会给一个警告信息，因为Comparable是一个泛型接口，它也需要一个类型参数，所以完整的方法声明应该是：

public static <T extends Comparable<T>> T max(T[] arr){
    //主体代码
}

<T extends Comparable<T>>是一种令人费解的语法形式，这种形式称为递归类型限制，可以这么解读：T表示一种数据类型，必须实现Comparable接口，且必须可以与相同类型的元素进行比较。

1.5.3、上界为其他类型参数

上面的限定都是指定了一个明确的类或接口，Java支持一个类型参数以另一个类型参数作为上界。为什么需要这个呢？我们看个例子，给上面的DynamicArray类增加一个实例方法addAll，这个方法将参数容器中的所有元素都添加到当前容器里来，直觉上，代码可以如下书写：

    //将另一个容器的所有对象添加进来
    public void addAll(DynamicArray<E> c) {
        for (int i = 0; i < c.size; i++) {
            add(c.get(i));
        }
    }

但这么写有一些局限性，我们看使用它的代码：

DynamicArray<Number> numbers = new DynamicArray<>();
DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
ints.add(100);
ints.add(34);
numbers.addAll(ints);//编译错误

numbers是一个Number类型的容器，ints是一个Integer类型的容器，我们希望将ints添加到numbers中，因为Integer是Number的子类，应该说，这是一个合理的需求和操作。

但Java会在numbers.addAll(ints)这行代码上提示编译错误：addAll需要的参数类型为DynamicArray<Number>，而传递过来的参数类型为DynamicArray<Integer>，不适用。Integer是Number的子类，怎么会不适用呢？

事实就是这样，确实不适用，而且是很有道理的，假设适用，我们看下会发生什么。

 DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
 DynamicArray<Number> numbers = ints; //假设这行是合法的
 numbers.add(new Double(12.34));

那最后一行就是合法的，这时，DynamicArray中就会出现Double类型的值，而这显然破坏了Java泛型关于类型安全的保证。

我们强调一下，虽然Integer是Number的子类，但DynamicArray并不是DynamicArray的子类，DynamicArray的对象也不能赋值给Dynamic-Array的变量，这一点初看上去是违反直觉的，但这是事实，必须要理解这一点。

不过，我们的需求是合理的，将Integer添加到Number容器中并没有问题。这个问题可以通过类型限定来解决：

public <T extends E> void addAll(DynamicArray<T> c) {
    for(int i=0; i<c.size; i++){
        add(c.get(i));
    }
}

E是DynamicArray的类型参数，T是addAll的类型参数，T的上界限定为E，这样，下面的代码就没有问题了：

public static void main(String[] args) {
    DynamicArray<Number> numbers = new DynamicArray<>();
    DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
    ints.add(100);
    ints.add(34);
    numbers.addAll(ints);//正确
    for (int i = 0; i < numbers.size; i++) {
        System.out.print(numbers.get(i) + " ");
    }
}

对于这个例子，这种写法有点烦琐，后面会介绍一种简化的方式。

2、解析通配符

2.1、更简洁的参数类型限定

为了将Integer对象添加到Number容器中，我们的类型参数使用了其他类型参数作为上界，我们提到，这种写法有点烦琐，它可以替换为更为简洁的通配符形式：

public void addAll(DynamicArray<? extends E> c) {
    for (int i = 0; i < c.size; i++) {
        add(c.get(i));
    } 
}

这个方法没有定义类型参数，c的类型是DynamicArray<?extends E>, ？表示通配符，<? extends E>表示有限定通配符，匹配E或E的某个子类型，具体什么子类型是未知的。使用这个方法的代码不需要做任何改动，还可以是：

 DynamicArray<Number> numbers = new DynamicArray<>();
 DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
 ints.add(100);
 ints.add(34);
 numbers.addAll(ints);

这里，E是Number类型，DynamicArray<? extends E>可以匹配DynamicArray<Integer>。

那么问题来了，同样是extends关键字，同样应用于泛型，<T extends E>和<? extends E>到底有什么关系？它们用的地方不一样，我们解释一下：

1. <T extends E>用于定义类型参数，它声明了一个类型参数T，可放在泛型类定义中类名后面、泛型方法返回值前面。
2. <? extends E>用于实例化类型参数，它用于实例化泛型变量中的类型参数，只是这个具体类型是未知的，只知道它是E或E的某个子类型。

虽然它们不一样，但两种写法经常可以达成相同目标，比如，前面例子中，下面两种写法都可以：

public void addAll(DynamicArray<? extends E> c)
public <T extends E> void addAll(DynamicArray<T> c)

那么，到底应该用哪种形式呢？我们先进一步理解通配符，然后再解释。

2.2、理解通配符

除了有限定通配符，还有一种通配符，形如DynamicArray<? >，称为无限定通配符。我们来看个例子，在DynamicArray中查找指定元素，代码如下：

public static int indexOf(DynamicArray<?> arr, Object elm) {
    for (int i = 0; i < arr.size(); i++) {
        if (arr.get(i).equals(elm)) {
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

其实，这种无限定通配符形式也可以改为使用类型参数。也就是说，下面的写法：

public static int indexOf(DynamicArray<? > arr, Object elm)

可以改为：

public static <T> int indexOf(DynamicArray<T> arr, Object elm)

不过，通配符形式更为简洁。虽然通配符形式更为简洁，但上面两种通配符都有一个重要的限制：只能读，不能写。怎么理解呢？看下面的例子：

DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
DynamicArray<? extends Number> numbers = ints;
Integer a = 200;
numbers.add(a); //错误！
numbers.add((Number)a); //错误！
numbers.add((Object)a); //错误！

三种add方法都是非法的，无论是Integer，还是Number或Object，编译器都会报错。为什么呢？问号就是表示类型安全无知，? extends Number表示是Number的某个子类型，但不知道具体子类型，如果允许写入，Java就无法确保类型安全性，所以干脆禁止。我们来看个例子，看看如果允许写入会发生什么：

 DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
 DynamicArray<? extends Number> numbers = ints;
 Number n = new Double(23.0);
 Object o = new String("hello world");
 numbers.add(n);
 numbers.add(o);

如果允许写入Object或Number类型，则最后两行编译就是正确的，也就是说，Java将允许把Double或String对象放入Integer容器，这显然违背了Java关于类型安全的承诺。

大部分情况下，这种限制是好的，但这使得一些理应正确的基本操作无法完成，比如交换两个元素的位置，看如下代码：

public static void swap(DynamicArray<? > arr, int i, int j){
    Object tmp = arr.get(i);
    arr.set(i, arr.get(j));
    arr.set(j, tmp);
}

这个代码看上去应该是正确的，但Java会提示编译错误，两行set语句都是非法的。不过，借助带类型参数的泛型方法，这个问题可以如下解决：

private static <T> void swapInternal(DynamicArray<T> arr, int i, int j){
    T tmp = arr.get(i);
    arr.set(i, arr.get(j));
    arr.set(j, tmp);
}
public static void swap(DynamicArray<? > arr, int i, int j){
    swapInternal(arr, i, j);
}

swap可以调用swapInternal，而带类型参数的swapInternal可以写入。Java容器类中就有类似这样的用法，公共的API是通配符形式，形式更简单，但内部调用带类型参数的方法。

除了这种需要写的场合，如果参数类型之间有依赖关系，也只能用类型参数，比如，将src容器中的内容复制到dest中：

public static <D, S extends D> void copy(DynamicArray<D> dest,
        DynamicArray<S> src){
    for(int i=0; i<src.size(); i++){
        dest.add(src.get(i));
    }
}

S和D有依赖关系，要么相同，要么S是D的子类，否则类型不兼容，有编译错误。不过，上面的声明可以使用通配符简化，两个参数可以简化为一个，如下所示：

public static <D> void copy(DynamicArray<D> dest, DynamicArray<? extends D> src) {
	for(int i = 0; i < src.size(); i++) {
		dest.add(src.get(i));
	}
}

如果返回值依赖于类型参数，也不能用通配符，比如，计算动态数组中的最大值，如下所示：

public static <T extends Comparable<T>> T max(DynamicArray<T> arr){
    T max = arr.get(0);
    for(int i=1; i<arr.size(); i++){
        if(arr.get(i).compareTo(max)>0){
            max = arr.get(i);
        }
    }
    return max;
}

上面的代码就难以用通配符代替。

现在我们再来看泛型方法到底应该用通配符的形式还是加类型参数。两者到底有什么关系？我们总结如下。

1. 通配符形式都可以用类型参数的形式来替代，通配符能做的，用类型参数都能做。
2. 通配符形式可以减少类型参数，形式上往往更为简单，可读性也更好，所以，能用通配符的就用通配符。
3. 如果类型参数之间有依赖关系，或者返回值依赖类型参数，或者需要写操作，则只能用类型参数。
4. 通配符形式和类型参数往往配合使用，比如，上面的copy方法，定义必要的类型参数，使用通配符表达依赖，并接受更广泛的数据类型。

2.3、超类型通配符

还有一种通配符，与形式<? extends E>正好相反，它的形式为<? super E>，称为超类型通配符，表示E的某个父类型。它有什么用呢？有了它，我们就可以更灵活地写入了。

如果没有这种语法，写入会有一些限制。来看个例子，我们给DynamicArray添加一个方法：

public void copyTo(DynamicArray<E> dest){
    for(int i=0; i<size; i++){
        dest.add(get(i));
    }
}

这个方法也很简单，将当前容器中的元素添加到传入的目标容器中。我们可能希望这么使用：

DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<Integer>();
ints.add(100);
ints.add(34);
DynamicArray<Number> numbers = new DynamicArray<Number>();
ints.copyTo(numbers);

Integer是Number的子类，将Integer对象拷贝入Number容器，这种用法应该是合情合理的，但Java会提示编译错误，理由我们之前也说过了，期望的参数类型是Dynamic-Array<Integer>, DynamicArray<Number>并不适用。

如之前所说，一般而言，不能将DynamicArray看作DynamicArray，但我们这里的用法是没有问题的，Java解决这个问题的方法就是超类型通配符，可以将copyTo代码改为：

public void copyTo(DynamicArray<? super E> dest){
    for(int i=0; i<size; i++){
        dest.add(get(i));
    }
}

这样，就没有问题了。

超类型通配符另一个常用的场合是Comparable/Comparator接口。同样，我们先来看下如果不使用会有什么限制。以前面计算最大值的方法为例，它的方法声明是：

public static <T extends Comparable<T>> T max(DynamicArray<T> arr)

这个声明有什么限制呢？举个简单的例子，有两个类Base和Child, Base的代码是：

class Base implements Comparable<Base>{
   private int sortOrder;
   public Base(int sortOrder) {
       this.sortOrder = sortOrder;
   }
   @Override
   public int compareTo(Base o) {
       if(sortOrder < o.sortOrder){
           return -1;
       }else if(sortOrder > o.sortOrder){
           return 1;
		}else{
		   return 0;
		}
	}
}

Base代码很简单，实现了Comparable接口，根据实例变量sortOrder进行比较。Child代码是：

class Child extends Base {
    public Child(int sortOrder) {
        super(sortOrder);
    }
}

这里，Child非常简单，只是继承了Base。注意：Child没有重新实现Comparable接口，因为Child的比较规则和Base是一样的。我们可能希望使用前面的max方法操作Child容器，如下所示：

DynamicArray<Child> childs = new DynamicArray<Child>();
childs.add(new Child(20));
childs.add(new Child(80));
Child maxChild = max(childs);

遗憾的是，Java会提示编译错误，类型不匹配。为什么不匹配呢？我们可能会认为，Java会将max方法的类型参数T推断为Child类型，但类型T的要求是extends Comparable<T>，而Child并没有实现Comparable<Child>，它实现的是Comparable<Base>。

但我们的需求是合理的，Base类的代码已经有了关于比 较所需要的全部数据，它应该可以用于比较Child对象。解决这个问题的方法，就是修改max的方法声明，使用超类型通配符，如下所示：

public static <T extends Comparable<? super T>> T max(DynamicArray<T> arr)

这么修改一下就可以了，这种写法比较抽象，将T替换为Child，就是：

Child extends Comparable<? super Child>

<? super Child>可以匹配Base，所以整体就是匹配的。

我们比较一下类型参数限定与超类型通配符，类型参数限定只有extends形式，没有super形式，比如，前面的copyTo方法的通配符形式的声明为：

public void copyTo(DynamicArray<? super E> dest)

如果类型参数限定支持super形式，则应该是：

public <T super E> void copyTo(DynamicArray<T> dest)

前面我们说过，对于有限定的通配符形式<? extendsE>，可以用类型参数限定替代，但是对于类似上面的超类型通配符，则无法用类型参数替代。

2.4、通配符比较

泛型中的三种通配符形式<? >、<? super E>和<? extends E>，并分析了与类型参数形式的区别和联系，它们比较容易混淆，我们总结比较如下：

1.它们的目的都是为了使方法接口更为灵活，可以接受更为广泛的类型。
2. <? super E>用于灵活写入或比较，使得对象可以写入父类型的容器，使得父类型的比较方法可以应用于子类对象，它不能被类型参数形式替代。
3. <? >和<? extends E>用于灵活读取，使得方法可以读取E或E的任意子类型的容器对象，它们可以用类型参数的形式替代，但通配符形式更为简洁。

Java容器类的实现中，有很多使用通配符的例子，比如，类Collections中就有如下方法：

public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list)
public static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c)
public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src)
public static <T> T max(Collection<? extends T> coll,
    Comparator<? super T> comp)

通配符	原因
<? extents T>	安全读取
<? super T>	安全写入
<T>	即读又写

3、细节问题

3.1、使用泛型类、方法和接口

在使用泛型类、方法和接口时，有一些值得注意的地方，比如：

• 基本类型不能用于实例化类型参数。
• 运行时类型信息不适用于泛型。
• 类型擦除可能会引发一些冲突。

我们逐个来看下。Java中，因为类型参数会被替换为Object，所以Java泛型中不能使用基本数据类型，也就是说，类似下面的写法是不合法的：

Pair<int> minmax = new Pair<int>(1,100);

解决方法是使用基本类型对应的包装类。

在内存中每个类都有一份类型信息，而每个对象也都保存着其对应类型信息的引用。在Java中，这个类型信息也是一个对象，它的类型为Class, Class本身也是一个泛型类，每个类的类型对象可以通过<类名>.class的方式引用，比如String. class、Integer.class。这个类型对象也可以通过对象的getClass()方法获得，比如：

Class<? > cls = "hello".getClass();

这个类型对象只有一份，与泛型无关，所以Java不支持类似如下写法：

Pair<Integer>.class

一个泛型对象的getClass方法的返回值与原始类型对象也是相同的，比如，下面代码的输出都是true：

Pair<Integer> p1 = new Pair<Integer>(1,100);
Pair<String> p2 = new Pair<String>("hello", "world");
System.out.println(Pair.class==p1.getClass()); //true
System.out.println(Pair.class==p2.getClass()); //true

之前，我们介绍过instanceof关键字，instanceof后面是接口或类名，instanceof是运行时判断，也与泛型无关，所以，Java也不支持类似如下写法：

if(p1 instanceof Pair<Integer>)

不过，Java支持如下写法：

        if(p1 instanceof Pair<? >)

由于类型擦除，可能会引发一些编译冲突，这些冲突初看上去并不容易理解，有两个类Base和Child, Base的声明为：

class Base implements Comparable<Base>

Child的声明为：

class Child extends Base

Child没有专门实现Comparable接口，Base类已经有了比较所需的全部信息，所以Child没有必要实现，可是如果Child希望自定义这个比较方法呢？直觉上，可以这样修改Child类：

class Child extends Base implements Comparable<Child>{
    //主体代码
}

遗憾的是，Java编译器会提示错误，Comparable接口不能被实现两次，且两次实现的类型参数还不同，一次是Comparable<Base>，一次是Comparable<Child>。为什么不允许呢？因为类型擦除后，实际上只能有一个。

那Child有什么办法修改比较方法呢？只能是重写Base类的实现，如下所示：

class Child extends Base {
    @Override
    public int compareTo(Base o) {
        if(! (o instanceof Child)){
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        Child c = (Child)o;
        //比较代码
        return 0;
    }
    //其他代码
}

另外，你可能认为可以如下定义重载方法：

public static void test(DynamicArray<Integer> intArr)
public static void test(DynamicArray<String> strArr)

虽然参数都是DynamicArray，但实例化类型不同，一个是DynamicArray，另一个是DynamicArray，同样，遗憾的是，Java不允许这种写法，理由同样是类型擦除后它们的声明是一样的。

3.2、定义泛型类、方法和接口

在定义泛型类、方法和接口时，也有一些需要注意的地方，比如：

• 不能通过类型参数创建对象。
• 泛型类类型参数不能用于静态变量和方法。
• 了解多个类型限定的语法。

不能通过类型参数创建对象，比如，T是类型参数，下面的写法都是非法的：

T elm = new T();
T[] arr = new T[10];

为什么非法呢？因为如果允许，那么用户会以为创建的就是对应类型的对象，但由于类型擦除，Java只能创建Object类型的对象，而无法创建T类型的对象，容易引起误解，所以Java干脆禁止这么做。

那如果确实希望根据类型创建对象呢？需要设计API接受类型对象，即Class对象，并使用Java中的反射机制。如果类型有默认构造方法，可以调用Class的newInstance方法构建对象，类似这样：

public static <T> T create(Class<T> type){
    try {
        return type.newInstance();
    } catch (Exception e) {
        return null;
    }
}

比如：

Date date = create(Date.class);
StringBuilder sb = create(StringBuilder.class);

对于泛型类声明的类型参数，可以在实例变量和方法中使用，但在静态变量和静态方法中是不能使用的。类似下面这种写法是非法的：

public class Singleton<T> {
    private static T instance;
    public synchronized static T getInstance(){
        if(instance==null){
              //创建实例
        }
        return instance;
    }
}

如果合法，那么对于每种实例化类型，都需要有一个对应的静态变量和方法。但由于类型擦除，Singleton类型只有一份，静态变量和方法都是类型的属性，且与类型参数无关，所以不能使用泛型类类型参数。

不过，对于静态方法，它可以是泛型方法，可以声明自己的类型参数，这个参数与泛型类的类型参数是没有关系的。

之前介绍类型参数限定的时候，我们提到上界可以为某个类、某个接口或者其他类型参数，但上界都是只有一个，Java中还支持多个上界，多个上界之间以&分隔，类似这样：

T extends Base & Comparable & Serializable

Base为上界类，Comparable和Serializable为上界接口。如果有上界类，类应该放在第一个，类型擦除时，会用第一个上界替换。

3.3、泛型与数组

引入泛型后，一个令人惊讶的事实是，不能创建泛型数组。比如，我们可能想这样创建一个Pair的泛型数组：

Pair<Object, Integer>[] options = new Pair<Object, Integer>[]{
        new Pair("1元",7), new Pair("2元", 2), new Pair("10元", 1)
};

Java会提示编译错误，不能创建泛型数组。这是为什么呢？我们先来进一步理解一下数组。

前面我们解释过，类型参数之间有继承关系的容器之间是没有关系的，比如，一个DynamicArray<Integer>对象不能赋值给一个DynamicArray<Number>变量。不过，数组是可以的，看代码：

Integer[] ints = new Integer[10];
Number[] numbers = ints;
Object[] objs = ints;

后面两种赋值都是允许的。数组为什么可以呢？数组是Java直接支持的概念，它知道数组元素的实际类型，知道Object和Number都是Integer的父类型，所以这个操作是允许的。

虽然Java允许这种转换，但如果使用不当，可能会引起运行时异常，比如：

Integer[] ints = new Integer[10];
Object[] objs = ints;
objs[0] = "hello";

编译是没有问题的，运行时会抛出ArrayStoreException，因为Java知道实际的类型是Integer，所以写入String会抛出异常。

理解了数组的这个行为，我们再来看泛型数组。如果Java允许创建泛型数组，则会发生非常严重的问题，我们看看具体会发生什么：

Pair<Object, Integer>[] options = new Pair<Object, Integer>[3];
Object[] objs = options;
objs[0] = new Pair<Double, String>(12.34, "hello");

如果可以创建泛型数组options，那它就可以赋值给其他类型的数组objs，而最后一行明显错误的赋值操作，则既不会引起编译错误，也不会触发运行时异常，因为Pair<Double, String>的运行时类型是Pair，和objs的运行时类型Pair[​]是匹配的。但我们知道，它的实际类型是不匹配的，在程序的其他地方，当把objs[0]作为Pair<Object, Integer>进行处理的时候，一定会触发异常。

也就是说，如果允许创建泛型数组，那就可能会有上面这种错误操作，它既不会引起编译错误，也不会立即触发运行时异常，却相当于埋下了一颗炸弹，不定什么时候爆发，为避免这种情况，Java干脆就禁止创建泛型数组。

但现实需要能够存放泛型对象的容器，怎么办呢？可以使用原始类型的数组，比如：

Pair[] options = new Pair[]{
      new Pair<String, Integer>("1元",7),
      new Pair<String, Integer>("2元", 2),
      new Pair<String, Integer>("10元", 1)};

有时，我们希望转换泛型容器为一个数组，比如，对于DynamicArray，我们可能希望它有这么一个方法：

public E[] toArray()

而希望可以这么用：

DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<Integer>();
ints.add(100);
ints.add(34);
Integer[] arr = ints.toArray();

先使用动态容器收集一些数据，然后转换为一个固定数组，这也是一个常见的合理需求，怎么来实现这个toArray方法呢？可能想先这样：

E[] arr = new E[size];

遗憾的是，如之前所述，这是不合法的。Java运行时根本不知道E是什么，也就无法做到创建E类型的数组。另一种想法是这样：

public E[] toArray(){
    Object[] copy = new Object[size];
    System.arraycopy(elementData, 0, copy, 0, size);
    return (E[])copy;
}

或者使用之前介绍的Arrays方法：

public E[] toArray(){
    return (E[])Arrays.copyOf(elementData, size);
}

结果都是一样的，没有编译错误了，但运行时会抛出ClassCastException异常，原因是Object类型的数组不能转换为Integer类型的数组。

那怎么办呢？可以利用Java中的运行时类型信息和反射机制，这些概念我们后续章节再详细介绍。这里我们简要介绍下。Java必须在运行时知道要转换成的数组类型，类型可以作为参数传递给toArray方法，比如：

public E[] toArray(Class<E> type){
    Object copy = Array.newInstance(type, size);
    System.arraycopy(elementData, 0, copy, 0, size);
    return (E[])copy;
}

Class<E>表示要转换成的数组类型信息，有了这个类型信息，Array类的newInstance方法就可以创建出真正类型的数组对象。调用toArray方法时，需要传递需要的类型，比如，可以这样：

Integer[] arr = ints.toArray(Integer.class);

我们来稍微总结下泛型与数组的关系：

• Java不支持创建泛型数组。
• 如果要存放泛型对象，可以使用原始类型的数组，或者使用泛型容器。
• 泛型容器内部使用Object数组，如果要转换泛型容器为对应类型的数组，需要使用反射。