[Java]泛型(一)泛型类

 1. 什么是泛型类？

泛型类是指类中使用了占位符类型（类型参数）的类。通过使用泛型类，你可以编写可以处理多种数据类型的代码，而无需为每种类型编写单独的类。泛型类使得代码更具通用性和可重用性，同时可以保证类型安全。

2. 泛型类的基本语法

2.1 泛型类的定义通常包含：

  • 类型参数：通过尖括号< >指定，占位符通常是字母，比如T、E、K、V等。
  • 类定义：类的成员变量、方法等可以使用类型参数。

2.2 泛型类的语法格式：

class ClassName<T> {  // T 是泛型类型参数// 类的成员变量private T value;// 泛型类的构造方法public ClassName(T value) {this.value = value;}// 泛型类的方法public T getValue() {return value;}public void setValue(T value) {this.value = value;}
}

3. 如何使用泛型类

在你定义好泛型类之后，你可以在实例化时指定具体的类型，告诉泛型类使用什么类型。

3.1 示例：使用泛型类

class Box<T> {private T value;  // 存储泛型类型的数据// 构造方法public Box(T value) {this.value = value;}// 获取值的方法public T getValue() {return value;}// 设置值的方法public void setValue(T value) {this.value = value;}
}public class generic_type {public static void main(String[] args) {// 创建一个泛型类的对象，指定类型为 StringBox<String> stringBox = new Box<>("Hello");System.out.println(stringBox.getValue());  // 输出 "Hello"// 创建一个泛型类的对象，指定类型为 IntegerBox<Integer> intBox = new Box<>(123);System.out.println(intBox.getValue());  // 输出 123// 创建一个泛型类的对象，指定类型为 DoubleBox<Double> doubleBox = new Box<>(45.67);System.out.println(doubleBox.getValue());  // 输出 45.67// 修改值stringBox.setValue("Goodbye");System.out.println(stringBox.getValue());  // 输出 "Goodbye"}
}

3.2 代码解释：

  1. Box<T>：这是一个泛型类，类名是 Box，T 是类型参数。T 可以代表任何数据类型，具体的类型将在创建对象时指定。

  2. private T value：Box 类中定义了一个成员变量 value，它的数据类型是泛型 T，这意味着它可以存储任何类型的数据。

  3. 构造方法 public Box(T value)：构造方法接收一个类型为 T 的参数，表示初始化时将传入的数据赋值给 value。

  4. getValue() 和 setValue(T value)：这两个方法分别用于获取和设置 value 的值。它们的类型都是 T，所以可以支持任意类型的数据。

3.3 在 Main 类中的应用：

  • Box<String> stringBox = new Box<>("Hello");：创建一个 Box 类型的对象，指定 T 为 String 类型，初始化时给 value 赋值为 "Hello"。
  • System.out.println(stringBox.getValue());：调用 getValue() 方法输出 "Hello"。
  • Box<Integer> intBox = new Box<>(123);：创建一个 Box 类型的对象，指定 T 为 Integer 类型，初始化时给 value 赋值为 123。
  • Box<Double> doubleBox = new Box<>(45.67);：创建一个 Box 类型的对象，指定 T 为 Double 类型，初始化时给 value 赋值为 45.67。

4.扩展：将Box作为内部类和外部类的区别

4.1 将Box作为外部类（如上示例的代码就是将Box作为外部类使用的）

4.2 将Box作为内部类使用

错误示例：

public class generic_type {class Box<T>{private T value;public Box(T value){this.value = value;}public T getValue(){return value;}public void setValue(T value){this.value = value;}}public static void main(String[] args){Box<String> stringBox = new Box<>("Hello");//报错System.out.println(stringBox.getValue());Box<Integer> intBox = new Box<>(123);//报错System.out.println(intBox.getValue());Box<Double> doubleBox = new Box<>(45.67);//报错System.out.println(doubleBox.getValue());stringBox.setValue("Goodbye!");System.out.println(stringBox.getValue());}}

为什么会出现这样的错误： 如果 Box 类定义在 generic_type 类内部，它是一个 成员内部类。Box 类只有在 generic_type 类的实例化对象中才有意义，且在外部无法直接使用 Box 类，必须通过 generic_type 的实例来访问它。

修改过后正确的内部类：

public class GenericType {class Box<T> {private T value;public Box(T value) {this.value = value;}public T getValue() {return value;}public void setValue(T value) {this.value = value;}}public static void main(String[] args) {// 必须先创建外部类 GenericType 的对象GenericType genericType = new GenericType();GenericType.Box<String> stringBox = genericType.new Box<>("Hello");System.out.println(stringBox.getValue());}
}

4.3 使用内部类和外部类的区别：

  1. 外部类定义 Box<T>：
    1. 独立性更强：Box 类是独立的，可以单独作为一个类使用。比如，如果你在同一个包中的其他地方需要使用 Box 类，就不需要创建 generic_type 类的实例，可以直接创建 Box 的实例。
    2. 访问范围更广：Box 类的作用域是整个包内或者是类所在的文件中，其他地方可以直接使用它。
  2. 内部类定义 Box<T>：
    • 依赖于外部类：如果 Box 是 generic_type 类的成员（内部类），那么必须先创建 generic_type 类的对象，然后通过这个对象来创建 Box 的实例。
    • 访问范围较小：Box 只能在 generic_type 类内部或通过 generic_type 的对象访问，限制了它的使用范围。其他类无法直接访问它，除非通过 generic_type 类实例。

5.泛型类的优点

  • 代码复用：通过泛型类，你不需要为每种数据类型编写不同的类，节省了代码量。
  • 类型安全：编译器可以在编译时检查类型是否匹配，避免了运行时错误和类型转换异常。
  • 灵活性：同一个类可以处理不同类型的数据，例如Box<String>和Box<Integer>。

6.泛型类的应用场景

6.1 应用场景

  • 集合类：Java的集合框架（如List、Set、Map）广泛使用泛型类。你可以创建类型安全的集合。
  • 容器类：泛型类常用于实现容器类，比如将某个类型的元素封装在类中。
  • 工具类：很多通用的工具类，例如Java中的Collections类，也使用泛型来提高灵活性和类型安全。

6.2 示例：

6.2.1 使用泛型类实现一个集合类

// 泛型容器类 Container
public class Container<T> {private T value;public void setValue(T value) {this.value = value;}public T getValue() {return value;}public static void main(String[] args) {// 使用 Container 存储 Integer 类型数据Container<Integer> intContainer = new Container<>();intContainer.setValue(42);System.out.println(intContainer.getValue());  // 输出 42// 使用 Container 存储 String 类型数据Container<String> strContainer = new Container<>();strContainer.setValue("Hello");System.out.println(strContainer.getValue());  // 输出 Hello}
}

6.2.2 使用泛型类实现一个容器类

// 泛型类：容器类
class Container<T> {private T value;public void setValue(T value) {this.value = value;}public T getValue() {return value;}
}public class Main {public static void main(String[] args) {// 创建容器实例，用String类型Container<String> stringContainer = new Container<>();stringContainer.setValue("Hello");System.out.println(stringContainer.getValue());  // 输出 Hello// 创建容器实例，用Integer类型Container<Integer> intContainer = new Container<>();intContainer.setValue(100);System.out.println(intContainer.getValue());  // 输出 100}
}

6.2.3 使用泛型实现一个工具类 

// 泛型工具类 GenericUtils
public class GenericUtils {// 泛型方法：交换数组中的两个元素public static <T> void swap(T[] array, int i, int j) {T temp = array[i];array[i] = array[j];array[j] = temp;}// 泛型方法：打印数组元素public static <T> void printArray(T[] array) {for (T element : array) {System.out.print(element + " ");}System.out.println();}public static void main(String[] args) {// 使用泛型工具类处理 Integer 数组Integer[] intArray = {1, 2, 3, 4};swap(intArray, 0, 2);printArray(intArray);  // 输出：3 2 1 4// 使用泛型工具类处理 String 数组String[] strArray = {"apple", "banana", "cherry"};swap(strArray, 0, 1);printArray(strArray);  // 输出：banana apple cherry}
}

7. 泛型类的多个类型参数

7.1 解释

一个泛型类可以使用多个类型参数。例如，你可以定义一个包含键值对的容器类（如Map），它就需要两个类型参数，一个表示键，一个表示值。

7.2 示例：使用多个类型参数

// 定义一个包含键值对的泛型类
class Pair<K, V> {private K key;private V value;public Pair(K key, V value) {this.key = key;this.value = value;}public K getKey() {return key;}public V getValue() {return value;}
}public class Main {public static void main(String[] args) {// 创建一个泛型Pair对象，指定键为String，值为IntegerPair<String, Integer> pair = new Pair<>("age", 25);System.out.println("Key: " + pair.getKey() + ", Value: " + pair.getValue());}
}

8.泛型类的继承

8.1 解释

泛型类的继承 是指在 Java 中通过继承泛型类来创建新的类。继承泛型类时，可以选择固定泛型类型或保留泛型类型占位符。具体的做法取决于是否希望在子类中指定一个具体的类型，或者希望子类保持泛型类型。

8.2 泛型类继承类型

8.2.1 子类继承泛型类并保留泛型类型

如果我们希望在子类中保持泛型类型（即让子类继续使用泛型），可以通过在子类中指定泛型类型。

示例：子类继承泛型类并保留泛型类型
// 泛型父类
class Box<T> {private T value;public Box(T value) {this.value = value;}public T getValue() {return value;}public void setValue(T value) {this.value = value;}
}// 泛型子类，保留父类的泛型类型
class ColoredBox<T> extends Box<T> {private String color;public ColoredBox(T value, String color) {super(value);this.color = color;}public String getColor() {return color;}public void setColor(String color) {this.color = color;}
}public class Main {public static void main(String[] args) {// 使用 Integer 类型ColoredBox<Integer> intBox = new ColoredBox<>(123, "Red");System.out.println("Value: " + intBox.getValue() + ", Color: " + intBox.getColor());// 使用 String 类型ColoredBox<String> strBox = new ColoredBox<>("Hello", "Blue");System.out.println("Value: " + strBox.getValue() + ", Color: " + strBox.getColor());}
}
/*
输出：
Value: 123, Color: Red
Value: Hello, Color: Blue
*/
解释：
  • Box<T> 是一个泛型父类，表示一个可以存储任何类型 T 的盒子。
  • ColoredBox<T> 继承自 Box<T>，它保留了泛型 T，并增加了一个 color 属性。
  • 在 main 方法中，我们通过创建 ColoredBox<Integer> 和 ColoredBox<String> 来使用这个泛型子类，分别存储整数和字符串。

8.2.2 子类继承泛型类并指定具体的类型

有时你希望子类继承泛型类并指定一个具体的类型。这时，可以在继承时直接指定泛型类型，而不保留泛型类型参数。你可以在子类中明确指定泛型类型（通常是常见的基本类型或子类型）。

示例：子类继承泛型类并指定具体类型
// 泛型父类
class Box<T> {private T value;public Box(T value) {this.value = value;}public T getValue() {return value;}public void setValue(T value) {this.value = value;}
}// 子类继承泛型父类，并指定具体的类型
class IntegerBox extends Box<Integer> {public IntegerBox(Integer value) {super(value);}public void printSquaredValue() {Integer value = getValue();System.out.println("Squared value: " + (value * value));}
}public class Main {public static void main(String[] args) {// 使用 Integer 类型IntegerBox integerBox = new IntegerBox(5);System.out.println("Value: " + integerBox.getValue());integerBox.printSquaredValue();  // 输出：Squared value: 25}
}
/*
输出：
Value: 5
Squared value: 25
*/
解释：
  • Box<T> 是一个泛型父类，表示一个可以存储任何类型 T 的盒子。
  • IntegerBox 是一个子类，它继承了 Box<Integer>，并指定了 T 为 Integer 类型。
  • IntegerBox 具有一个 printSquaredValue 方法，演示如何使用从父类继承的 getValue 方法。

8.2.3 子类继承泛型类并限制泛型的类型边界

你可以在子类中为泛型类型指定 边界（bounds），即限制泛型类型必须是某个特定类或接口的子类。例如，你可以让泛型类型 T 限定为 Number 或其子类。

示例：使用类型边界的泛型继承
// 泛型父类，限定 T 必须是 Number 的子类
class NumericBox<T extends Number> {private T value;public NumericBox(T value) {this.value = value;}public T getValue() {return value;}public void setValue(T value) {this.value = value;}public void printSquare() {System.out.println("Squared value: " + (value.doubleValue() * value.doubleValue()));}
}// 子类继承泛型父类，并指定具体类型
class IntegerBox extends NumericBox<Integer> {public IntegerBox(Integer value) {super(value);}
}class DoubleBox extends NumericBox<Double> {public DoubleBox(Double value) {super(value);}
}public class Main {public static void main(String[] args) {// 使用 Integer 类型IntegerBox integerBox = new IntegerBox(5);integerBox.printSquare();  // 输出：Squared value: 25.0// 使用 Double 类型DoubleBox doubleBox = new DoubleBox(3.14);doubleBox.printSquare();  // 输出：Squared value: 9.8596}
}
/*
输出：
Squared value: 25.0
Squared value: 9.8596
*/
解释：
  • NumericBox<T extends Number> 是一个带有类型边界的泛型类，限定了 T 必须是 Number 或其子类。
  • IntegerBox 和 DoubleBox 分别继承 NumericBox<Integer> 和 NumericBox<Double>，实现了不同类型的继承。
  • 在 printSquare 方法中，调用了 value.doubleValue()，这在 Number 类中是定义好的，因此可以安全地对数值进行平方运算。

8.3 注意事项

  • 泛型类型的擦除： 泛型类型在编译时会进行类型擦除（type erasure），所以在运行时泛型类型会被替换为它的边界类型（例如 Object 或 Number）。这就是为什么泛型类不能直接创建数组。
  • 泛型和继承： 泛型类和子类之间的继承关系可以保留泛型类型，也可以指定具体的类型。你可以通过继承来扩展泛型类的功能，但要注意类型边界的使用。
  • 类型安全： 泛型的使用保证了类型安全，通过编译时的类型检查，避免了运行时类型错误，减少了类型强制转换的需要。

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