Java 中的泛型详解

泛型（Generics）是 Java 5 引入的一个重要特性，它允许在定义类、接口和方法时使用类型参数，从而提高代码的复用性和类型安全性。本文将详细解析 Java 中的泛型，包括其定义、使用场景和优势。

---

1. 泛型的定义

泛型是一种参数化类型机制，允许在定义类、接口或方法时使用类型参数（Type Parameters），这些类型参数在实例化或调用时被具体的类型替换。

1.1 泛型类

class Box<T> {
    private T value;

    public void setValue(T value) {
        this.value = value;
    }

    public T getValue() {
        return value;
    }
}

1.2 泛型方法

public <T> void printArray(T[] array) {
    for (T element : array) {
        System.out.println(element);
    }
}

1.3 泛型接口

interface Pair<K, V> {
    K getKey();
    V getValue();
}

---

2. 为什么要使用泛型？

2.1 类型安全

泛型在编译时进行类型检查，避免运行时类型转换错误。

示例

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Hello");
// list.add(10); // 编译错误：类型不匹配
String value = list.get(0); // 无需强制类型转换

2.2 代码复用

泛型允许编写通用的代码，适用于多种类型，减少代码重复。

示例

class Box<T> {
    private T value;

    public void setValue(T value) {
        this.value = value;
    }

    public T getValue() {
        return value;
    }
}

Box<Integer> intBox = new Box<>();
Box<String> strBox = new Box<>();

2.3 消除类型转换

泛型避免了手动类型转换，使代码更简洁、易读。

示例

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Hello");
String value = list.get(0); // 无需强制类型转换

2.4 提高性能

泛型在编译时进行类型检查，避免了运行时的类型转换开销。

---

3. 泛型的使用场景

3.1 集合框架

Java 集合框架（如 List、Set、Map）广泛使用泛型，确保集合中元素的类型安全。

示例

List<String> names = new ArrayList<>();
names.add("Alice");
names.add("Bob");
String name = names.get(0); // 无需类型转换

3.2 自定义泛型类

通过泛型类，可以创建适用于多种类型的通用类。

示例

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;
    }
}

Pair<String, Integer> pair = new Pair<>("Age", 25);

3.3 泛型方法

泛型方法允许在方法级别使用类型参数，适用于多种类型。

示例

public <T> void printArray(T[] array) {
    for (T element : array) {
        System.out.println(element);
    }
}

Integer[] intArray = {1, 2, 3};
String[] strArray = {"A", "B", "C"};
printArray(intArray);
printArray(strArray);

3.4 泛型接口

泛型接口允许定义通用的接口，适用于多种类型。

示例

interface Comparator<T> {
    int compare(T o1, T o2);
}

class StringComparator implements Comparator<String> {
    public int compare(String s1, String s2) {
        return s1.compareTo(s2);
    }
}

---

4. 泛型的限制

4.1 类型擦除

Java 的泛型在编译时进行类型擦除（Type Erasure），泛型类型参数在运行时被替换为 Object 或指定的上限类型。

示例

List<String> list = new ArrayList<>();
// 编译后：List list = new ArrayList();

4.2 不能使用基本类型

泛型类型参数必须是引用类型，不能使用基本类型（如 int、char）。

示例

// List list = new ArrayList<>(); // 编译错误
List<Integer> list = new ArrayList<>(); // 正确

4.3 不能创建泛型数组

不能直接创建泛型数组，但可以通过类型转换实现。

示例

// List[] array = new List[10]; // 编译错误
List<String>[] array = (List<String>[]) new List[10]; // 正确

---

5. 总结

泛型是 Java 中强大的特性，具有以下优势：

• 类型安全：在编译时进行类型检查，避免运行时错误。
• 代码复用：编写通用的代码，适用于多种类型。
• 消除类型转换：使代码更简洁、易读。
• 提高性能：避免运行时的类型转换开销。