Java函数：如何使用泛型编写通用数据结构和算法？

泛型是一种Java编程语言的特性，让代码可以在一定程度上获得类型安全及更普适性。Java 已经内置了大量泛型的数据结构和算法，包括集合框架、数组、流等，但有时候我们需要自己写泛型类或者泛型方法，甚至需要写出使用多个泛型参数的泛型方法。

本文将讨论Java如何使用泛型编写通用数据结构和算法。

一、泛型类

1.定义泛型类

Java泛型类（Generic Class）又称参数化类（Parameterized Class），可以用于容纳各种类型的对象，提高代码的复用性。泛型类的定义方式是将类型参数放在类名后面的尖括号中，如下：

public class GenericClass<T> {
    private T content;

    public GenericClass(T content) {
        this.content = content;
    }

    public T getContent() {
        return content;
    }

    public static void main(String[] args) {
        GenericClass<Integer> gc1 = new GenericClass<Integer>(123);
        GenericClass<String> gc2 = new GenericClass<String>("hello");
        System.out.println(gc1.getContent()); // 123
        System.out.println(gc2.getContent()); // hello
    }
}

在以上代码中，我们使用类型参数T定义了一个泛型类GenericClass，content属性使用了类型参数T。在使用泛型类的时候，通过在类名中显示的指定类型参数，实例化对象后可以获取到其对应的类型。

2.定义泛型方法

Java中的泛型方法（Generic Method）是一种特殊的泛型程序，其中泛型参数使用尖括号包围，放在方法的返回类型前面，如下：

public class GenericMethod {
    public static <T> T genericMethod(T[] arr) {
        T max = arr[0];
        for (T t : arr) {
            if (t.compareTo(max) > 0) {
                max = t;
            }
        }
        return max;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Integer[] arr1 = {3, 4, 2, 7, 9};
        String[] arr2 = {"abc", "def", "hij"};

        System.out.println(genericMethod(arr1));  // 9
        System.out.println(genericMethod(arr2));  // hij
    }
}

在以上代码中，我们使用了泛型方法genericMethod。在方法定义中，我们使用了尖括号把泛型参数T括起来，然后该方法可以处理任意类型的数组。

二、泛型接口

Java中的泛型接口定义方式与泛型类类似，可以跟随类名之后定义泛型参数类型，如下：

public interface GenericInterface<T> {
    public T max(T[] arr);
}

public class GenericInterfaceImpl implements GenericInterface<Integer> {
    @Override
    public Integer max(Integer[] arr) {
        Integer max = arr[0];
        for (Integer i : arr) {
            if (i.compareTo(max) > 0) {
                max = i;
            }
        }
        return max;
    }

    public static void main(String[] args) {
        GenericInterface<Integer> gi = new GenericInterfaceImpl();
        Integer[] arr = {1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 10, 6, 8};
        System.out.println(gi.max(arr));  // 10
    }
}

在以上代码中，我们定义了一个泛型接口GenericInterface，包含一个方法max，用于找出数组中的最大值。然后我们又定义了一个实现泛型接口的类GenericInterfaceImpl，并对max方法进行实现。在main方法中，我们实例化了GenericInterfaceImpl对象，并调用了max方法。

三、泛型擦除

在Java编译期间，泛型的类型信息都会被擦除，具体而言，就是将泛型类型的所有引用替换成其上界类型或者Object类型，以满足字节码文件的类型擦除。这一过程称为泛型擦除，它会影响Java泛型代码的运行时行为，并在一些场景下会造成一些限制，包括但不限于以下几点：

1.不能使用基本类型实例化类型参数

泛型类型参数必须是引用类型，在实例化类型参数时不能使用基本数据类型。例如：

ArrayList<int> list = new ArrayList<>(); // 编译无法通过
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>(); // 正确写法

2.不能使用多态创建泛型数组

由于Java不支持泛型数组，所以需要通过创建Object数组，再使用强制类型转换来实现泛型数组。

List<Integer>[] listArray = new List<Integer>[10]; // 编译无法通过
List<Integer>[] listArray = (List<Integer>[])new ArrayList[10]; // 正确写法

四、Java内置泛型

若想更深入地理解Java内置泛型，就可以从Java文档中浏览其源代码或直接看API，其中就包括了Java泛型类和泛型方法的实现及其应用。Java常用的内置泛型包括但不限于以下几点：

1.集合框架

Java集合框架中最基础且广泛使用的类是List、Set和Map。三种数据结构均实现为泛型形式，容器中可以放置任何类型的对象，不必进行类型转换。例如：

List<String> list = new ArrayList<>(); // 字符串类型的列表
Set<Student> set = new HashSet<>(); // 学生对象的集合
Map<Integer, String> map = new HashMap<>(); // 存放学号和姓名的映射表

2.数组

Java中的泛型数组可以用一些特殊的写法实现，但仅能将数组视为Object类型数组，在许多场景下并不够灵活。

ArrayList<Integer>[] lists = new ArrayList[10];
ArrayList<String>[] strings = new ArrayList[10];

3.流

Java 8中新增加的流Stream是一组特殊的迭代器，可通过管道化操作（Stream Pipeline）实现对数据的处理，主要用于对集合或数组进行复杂操作，代码简洁且易于阅读。例如：

List<Student> students = new ArrayList<>();
students.stream().filter(student -> student.getScore() > 90).forEach(System.out::println); // 打印出成绩优秀的学生

总结

本文讨论了Java中如何使用泛型编写通用的数据结构和算法。我们可以使用泛型类来创建可以容纳任何类型对象的容器类，使用泛型方法来处理相同结构但数据类型不同的算法，并使用泛型接口来增加程序的可扩展性。同时，原生数据类型不能用于泛型参数实例化；类、方法和接口参数或返回值的泛型下界会被自动转换为Object类型；泛型数组必须强制类型转换为旧式的类型数组；在Java集合框架中，List、Set和Map均实现为泛型形式。这些通用数据结构和算法都已经内置于Java中，并在实践中提供了很好的可复用性和灵活性。