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泛型（Generics）概述

什么是泛型？
泛型是一种允许在编写代码时使用参数化类型的技术。它使得代码更加通用、安全和高效。

优势：

• 安全性：通过编译器检查，避免了向下转型等不安全操作。
• 可读性：代码更直观，减少了冗余的类型转换提示信息。
• 复用性：编写一次性的组件可以被多次重用在不同的数据类型上。

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泛型的基本使用

1. 带有泛型参数的类定义

public class Box<T> {
    private T content;

    public void setContent(T content) {
        this.content = content;
    }

    public T getContent() {
        return this.content;
    }
}

解释：

• Box 类被设计为可以存储任何类型的数据，通过泛型参数 <T> 定义。
• setContent 和 getContent 方法都使用了泛型参数来指定它们的操作对象。

2. 使用泛型创建实例

Box<String> stringBox = new Box<>();
stringBox.setContent("Hello, Generics!");
String content = stringBox.getContent();

Box<Integer> integerBox = new Box<>();
integerBox.setContent(123);
Integer number = integerBox.getContent();

解释：

• 在创建 Box 实例时，明确指定类型参数（如 String 或 Integer）。
• 这种方式确保了内容的安全性和类型的一致性。

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泛型的高级用法

1. 使用通配符（Wildcards）

无界通配符：

public void accept(Box<?> box) {
    // 可以接受任何类型的Box实例
}

accept(new Box<String>());
accept(new Box<Integer>());

有界通配符：

• 上限边界（Upper Bounds）：

public <T extends Number> void processNumber(Box<T> box) {
    T number = box.getContent();
    // 可以进行与Number类型相关的操作，如加法、比较等。
}

Box<Integer> integerBox = new Box<>();
processNumber(integerBox);
// 以下情况会编译错误：
// processNumber(new Box<String>());

• 下限边界（Lower Bounds）：

public void processObject(Box<? super String> box) {
    Object object = box.getContent();
    // 可以进行与Object类型相关的操作，但不能假设具体是哪种子类。
}

Box<Object> objectBox = new Box<>();
processObject(objectBox);
// 以下情况会编译错误：
// processObject(new Box<Integer>());

2. 类型擦除（Type Erasure）

概念：

• 泛型在 Java 中并不是一个完全的类型系统，而是一种“模拟”类型参数的技术。
• 在编译时，泛型信息会被擦除，只保留原始类型。

示例：

Box<String> stringBox = new Box<>();
Box rawBox = stringBox; // 使用原始类型绕过泛型检查
rawBox.setContent(123); // 编译器不会报错，但在运行时可能抛出异常

重要性：

• 理解类型擦除有助于避免一些常见的陷阱，并解释为什么某些泛型操作可能需要额外的处理。

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实际应用案例

项目背景

假设我们正在开发一个图书管理系统。系统需要支持多种类型的书籍，如小说、技术书等。我们需要一种方法来管理不同类别的书籍，并能够根据类别进行查询和排序。

需求分析：

• 分类存储：每种类型（如 Novel 和 TechnicalBook）都有自己的属性。
• 高效检索：根据给定的条件快速查找符合条件的书籍。
• 可扩展性：未来可能需要添加更多类型的书籍，系统应易于扩展。

实现方案

1. 定义一个通用的图书管理器类，使用泛型来处理不同种类的书籍。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class BookManager<T extends Book> {
    private List<T> bookList = new ArrayList<>();

    public void addBook(T book) {
        this.bookList.add(book);
    }

    public T findBookByTitle(String title) {
        for (T book : this.bookList) {
            if (book.getTitle().equals(title)) {
                return book;
            }
        }
        return null; // 或者抛出异常，根据需求决定
    }

    public List<T> getAllBooks() {
        return this.bookList;
    }

    public void sortBooksByPrice() {
        this.bookList.sort((a, b) -> a.getPrice().compareTo(b.getPrice()));
    }
}

2. 定义具体的书籍类型。

小说类：

public class Novel extends Book implements Comparable<Novel> {
    private String genre;

    public Novel(String title, double price, String author, String genre) {
        super(title, price, author);
        this.genre = genre;
    }

    @Override
    public int compareTo(Novel other) {
        return Double.compare(this.getPrice(), other.getPrice());
    }
}

技术书籍类：

public class TechnicalBook extends Book implements Comparable<TechnicalBook> {
    private String technology;

    public TechnicalBook(String title, double price, String author, String technology) {
        super(title, price, author);
        this.technology = technology;
    }

    @Override
    public int compareTo(TechnicalBook other) {
        return Double.compare(this.getPrice(), other.getPrice());
    }
}

书籍基类：

public abstract class Book {
    private String title;
    private double price;
    private String author;

    protected Book(String title, double price, String author) {
        this.title = title;
        this.price = price;
        this.author = author;
    }

    public String getTitle() {
        return this.title;
    }

    public double getPrice() {
        return this.price;
    }

    public String getAuthor() {
        return this.author;
    }
}

测试代码：

import java.util.List;

public class BookManagerTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始化小说管理器
        BookManager<Novel> novelManager = new BookManager<>();
        novelManager.addBook(new Novel("The Silent Echo", 12.99, "Sarah Mitchell", "Mystery"));
        novelManager.addBook(new Novel("Midnight Dreams", 8.99, "Emily Carter", "Horror"));

        System.out.println(novelManager.findBookByTitle("The Silent Echo").getTitle());

        List<Novel> novels = novelManager.getAllBooks();
        novelManager.sortBooksByPrice();
        for (Novel novel : novels) {
            System.out.println(novel.getTitle() + " by " + novel.getAuthor());
        }

        // 初始化技术书籍管理器
        BookManager<TechnicalBook> techBookManager = new BookManager<>();
        techBookManager.addBook(new TechnicalBook("Java Programming Guide", 24.99, "John Doe", "Java"));
        techBookManager.addBook(new TechnicalBook("Python for Data Science", 18.99, "Jane Smith", "Data Science"));

        System.out.println(techBookManager.findBookByTitle("Java Programming Guide").getTitle());

        List<TechnicalBook> techBooks = techBookManager.getAllBooks();
        techBookManager.sortBooksByPrice();
        for (TechnicalBook book : techBooks) {
            System.out.println(book.getTitle() + " by " + book.getAuthor());
        }
    }
}

运行结果示例：

The Silent Echo
Midnight Dreams
Java Programming Guide
Python for Data Science

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项目总结

• 优势：
  • 使用泛型，代码更具通用性和可重用性。
  • 管理器类可以根据需要处理不同类型的书籍，而不需要修改核心逻辑。
• 挑战与解决方案：
  • 类型擦除可能导致一些运行时问题，但通过严格的类型检查和文档说明可以减少风险。
  • 需要确保所有具体的书籍类都正确实现 Comparable 接口以支持排序功能。

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总结

通过以上案例，我们可以看到泛型在 Java 中的强大之处。它不仅提高了代码的可维护性和扩展性，还使得我们的系统更加灵活和高效。理解并合理使用泛型是每个 Java 开发者的重要技能，能够帮助我们构建更高质量的应用程序。

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附：简单泛型示例

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> stringList = new ArrayList<>();
        stringList.add("Hello");
        stringList.add("World");

        for (String str : stringList) {
            System.out.println(str);
        }

        List<Integer> integerList = new ArrayList<>();
        integerList.add(10);
        integerList.add(20);

        for (Integer num : integerList) {
            System.out.println(num);
        }
    }
}

输出结果

Hello
World
10
20