泛型(Generics)

泛型

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泛型(generics)

• 撰寫程式時，往往有一種情況是，我們無法再編譯期間確定程式碼的撰寫方式，也因此衍生出許多技巧，來克服這個問題，比方說利用動態記憶體配置，來解決無法在編譯期間確定使用者輸入資料量的問題，或者利用晚期鏈結(late binding)的技巧，使得呼叫的方法可以依照執行期間的狀況而決定。 
• 泛型是物件導向的三個特性之一的多型(polymorphism)的一種技巧，多型的本意是「一種介面，多種使用方法」，然而在Java中多型通常指處理未知的資料型態，對不同的型別都給予相同的操作方式，也就是一種函式(function)，多種方法，或者一種指令，多種方法。
• 而在Java中，泛型則是針對特定指定型別產生對應型態的程式碼以處理不同型別，泛型將型別抽象化、參數化，型別參數化意味著我們可以更彈性的決定類別、介面與方法的資料型別，將主要的核心演算法與邏輯獨立出來，不再牽制於資料型別的限制，比方說，堆疊結構需要Pop()、Push()等方法，但堆入的元素型別可能是String、double、float...等，與其為每個型別都撰寫一種堆疊類別來處理來實現多型，不如用另外一種方式：泛型。泛型可以讓類別的型別參數化，也就是說我們可以定義完堆疊後，再告訴編譯器我們的堆疊會使用甚麼樣的資料型別。如此一來同樣達成了「一種介面，多種方法」的技巧，省下的重複撰寫的成本。
• 在Java中，多型是針對函式的，而泛型是針對參數的。
• 泛型可以讓你流暢的建立、型別安全，與可重複使用的程式碼。

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簡單的範例

• 接著我們舉例一個簡單的泛型示例：
  
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• 輸出結果：
  

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泛型的型別取決於型別引數

• 一個版本的泛型型別參考與另一個版本的泛型型別參考，在型別上市不相容的，例如上述的程式中：
  iOb=strOb;  //錯誤

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泛型如何提升型別安全

• 或許你會發現，只要指定Object作為資料型別，再加上適當的轉型即可實現泛型機制，但泛型可以自動地保護型別安全，在撰寫程式中，你不需要輸入型別轉型的程式碼，也不須手動檢查程式中的型別轉換是否正確。
• 舉例以Object來取代泛型
  
• 
• 此程式相較於泛型有兩個缺點
• • 一、你必須明確使用強制轉型取得儲存在物件的資料
  • 二、許多型別不符的錯誤都是在執行時期才發現，使用Object建立泛型機制無法確保型別安全，泛型將執行期間的錯誤變成編譯期間的錯誤，這使得我們比較容易避免潛在問題

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抹除

• 泛型新增至Java的主要限制在於必須與舊版本相容，任何語言語法的變更，或是JVM的修改，都必須避免破壞到舊的程式碼，Java透過抹除(erasure)方式以符合這個限制，藉以實作泛型
• 當編輯你的Java原始碼後，所有的泛型型別資訊會被抹除：Java會以限制條件的型別(如果沒有明確指定限制條件，則預設是Object)取代型別參數，然後再以適當的轉型動作(由型別引數決定)，以確保能與型別引述指定的型別相容。編譯器會堅持型別一定要相容。
• 泛型這種處理方式代表在執行時期型別參數是不存在的，他們只存在於原始碼。執行時期所有的泛型型別只以原始型別的形式存在
• 舉例來說，以下兩段程式編譯的結果會是相同的：
• • Gen<Integer>iOb=new Gen<Integer>(99);
    int x=iOb.getob();
  • Gen iOb=new Gen(99);
    in tx=(Integer)iOb.getob();

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橋梁方法

• 有時候，子類別中的覆寫方法，其型別抹除的動作部會發生在父類別中的相同方法上，此時編譯器需要新增一個橋梁方法(bridge method)至類別中，以便處理這樣的情形
• 橋梁方法只發生在位元碼的層級，我們看不到，也無法使用此方法

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意義不明的錯誤

• 新增泛型同時也產生了新型的錯誤：意義不明(ambiguity)的錯誤。
• 抹除動作導致的問題是，當朗各表面上是不同的泛型宣告，進行抹除後卻解析成相同的型別，此時就會產生意義不明的錯誤並導致衝突：
  
• 此範例的其中一個錯誤提示是：
• • Method set(V) has the same erasure set(Object) as another method in type MyGenClass<T,V>
  • 大意是說：在MyGenClass<T,V>類別中，set(V)方法在抹除(erasure)後，會成為set(Object)，而使得它與另一個方法(此指set(T)相同，導致意義不明的錯誤(類別中不能有兩個相同的方法)
• 解決的方法可以將類別定義改成class MyGenClass<T,V extends String>{//...
• • 不過要注意的是當你使用這樣的敘述：
    MyGenClass<String,String> x = new MyGenClass<String,String>();
  • 同樣會產生意義不明的錯誤
• 意義不明的錯誤通常代表你的設計概念上有錯誤，要留意處理方式

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泛型的限制

• 泛型只運用在物件上：當宣告一個泛型類別的實體時，傳入的型別參數必須是類別型別，你不能使用基本型別，像是int或char：
  Gen<int> strOb=new Gen<int>(53); //錯誤，不能使用基本型別
• 型別參數不能實體化：
  
  錯誤提示為：Cannot instantiate the type T
  無法將型別T實體化，在執行時期T會被其他型別取代(型別參數會被抹除)，而編譯時期T也只是佔位符號而已，編譯器無法知道該建立哪種型別的物件
• 靜態成員的限制：
  
  錯誤提示為依序為：
  Cannot make a static reference to the non-static type T
  Cannot make a static reference to the non-static type T
  ob cannot be resolved to a variable
  ob cannot be resolved to a variable
  意思是說非靜態型別的T是無法產生靜態成員參考的
  而沒辦法產生參考的ob也不能被解析成變數提供程式其他地方存取
  雖然你不可以使用有型別參數的static成員，但是可以宣告static泛型方法
• 泛型陣列的限制
  
  錯誤提示為：
  Cannot create a generic array of T
  Cannot create a generic array of GenericsArray<Integer>
  一、宣告型別T的陣列是合法的，但無法實體化泛型陣列，原因是編譯器並沒辦法知道實際上要建立陣列的物件型別為何，你可以用參考指派的方式(第9行)來將物件指派給泛型陣列，因為傳入Gen的陣列是已知型別的，T會與建立陣列時的型別相同。
  二、指定泛型型別的陣列是不被允許的(第14行)，因為他們可能破壞型別安全，然而，如果你使用萬用字元，就可以建立泛型型別的陣列參考(第15行)，者種方式比使用原始型別的陣列要來得好，因為至少它會執行一些型別檢查
• 泛型例外的限制
  泛型的類別不能繼承Throwable。這意味著你不能建立泛型的例外類別。

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延伸探討

• 本文希望解釋泛型的核心價值，其餘的探討讀者若有興趣可以參考其他書籍或文章，以下延伸的主題僅做簡單的摘要，往後有必要可能在做章節補充，一般包括
• 使用兩個型別參數的泛型類別：class class-name <T,V>{//...
• 泛型類別的一般形
• class class-name <type-param-list>{//...
• class class-name<type-arg-list> var-name=new class-name<type-arg-list>(cons-arg-list);
• 受限的型別：<T extends superclass>
• 萬用字元引數與受限的萬用字元引數
• 上限(extend)
• 下限(super)：<? super subclass>，下限條件的類別(subclass)不包含在限制條件內
• 泛型方法：<type-param-list> return-type method-name((param-list){//...
• 泛型建構式
• 泛型介面：
• 定義：interface interface-name<type-param-list>{//...
• 實作：class class-name<type-param-list> implements interface-name<type-arg-list>{//...
• 原始型別與舊的程式碼：泛型是新的功能，因此Java需要一些轉變的方式將舊的、泛型之前的程式碼轉換過來。
• 泛型類別階層體系
• 繼承泛型父類別
• 執行時期犯行階層內的型別比較
• 轉型：(Gen<Integer>)iOb
• 覆寫泛型類別中的方法