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Kotlin 泛型（手把手讲解）

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前言

在编程的世界中，代码复用是提升开发效率的核心策略之一。想象一下，如果每次需要存储不同数据类型的集合时，都必须为每种类型单独编写类或方法，这样的重复劳动会迅速消耗开发者的时间和精力。正是为了解决这一问题，Kotlin 泛型应运而生。它通过参数化类型（Parameterized Types）的机制，让开发者能够编写出既安全又灵活的可复用代码。无论是存储不同数据的容器类，还是实现通用算法，泛型都能帮助我们优雅地解决类型问题。

本文将从基础语法到高级特性，逐步拆解Kotlin 泛型的核心概念，结合生活化的比喻与代码示例，帮助读者建立清晰的认知体系。无论你是编程新手还是有一定经验的开发者，都能通过本文掌握泛型的实用技巧。

一、泛型的诞生：为什么需要参数化类型？

1.1 类型安全与代码冗余的矛盾

在没有泛型的时代，Java 的 ArrayList 默认存储 Object 类型。例如，若要存储整数列表，开发者需要手动进行类型转换，这可能导致运行时错误：

val list = ArrayList<Any>()
list.add("Apple")
val number = list[0] as Int // 运行时 ClassCastException

这种设计虽然灵活，却牺牲了类型安全性和代码的可维护性。

1.2 泛型：类型参数化的解决方案

泛型通过在类型定义时添加类型参数（Type Parameters），允许开发者在使用时指定具体类型。这如同“模具铸造”：

  • 模具（泛型类）：定义通用的结构，但保留类型参数的“空位”。
  • 铸造（实例化）：用具体类型填充参数，生成具有明确类型的实例。

例如，Box<T> 泛型类可以存放任何类型的对象：

class Box<T>(var content: T) { /* ... */ }
val intBox = Box<Int>(42)   // 具体类型为 Int 的实例
val strBox = Box<String>("Hello") // 具体类型为 String 的实例

通过这种方式，代码既保持了复用性，又避免了类型转换的隐患。

二、泛型基础语法：定义与使用

2.1 类泛型的定义

在类名后添加尖括号 <T>，其中 T 是类型参数的占位符：

class GenericBox<T>(val data: T) {
    fun printData() = println("Data type: ${data::class.simpleName}")
}

使用时通过 <Type> 指定具体类型：

val box1 = GenericBox<Int>(100)     // 明确指定 Int 类型
val box2 = GenericBox("Kotlin")     // 通过类型推断自动识别 String

2.2 方法泛型的使用

方法也可以定义泛型参数，例如一个通用的 swap 方法：

fun <T> swap(a: T, b: T): Pair<T, T> {
    return Pair(b, a)
}
val (x, y) = swap("A", "B") // 返回 ("B", "A")

2.3 通配符 * 的作用

当需要表示“任意类型”时，可用通配符 *：

fun printBoxContent(box: Box<*>) {
    println("Box contains: ${box.content}")
}

此时 box.content 的类型会被视为 Any?，确保安全访问。

三、类型参数的约束：让泛型更智能

3.1 上界（Upper Bounds）

若希望限制类型参数的范围，可使用 : 指定上界。例如，要求类型必须是 Number 的子类：

class NumberBox<T : Number>(val value: T) {
    fun computeAbsolute(): Number = if (value.toDouble() < 0) -value else value
}
// 允许的类型
val intBox = NumberBox<Int>(-5)
val doubleBox = NumberBox<Double>(3.14)
// 错误类型：String 不是 Number 子类
// val errorBox = NumberBox<String>("5")

3.2 下界（Lower Bounds）与星号投影

通过 in 和 out 关键字，可实现协变（Covariance）与逆变（Contravariance），这类似于“生产者”与“消费者”的角色区分：

  • 协变（out T）：允许读取数据，但禁止写入。例如，Producer<out T> 可安全返回 T 类型数据。
  • 逆变（in T）：允许写入数据，但无法读取。例如，Consumer<in T> 可接受 T 类型的输入。

示例：

class Holder<out T>(private val value: T) {
    fun get(): T = value // 协变允许读取
    // 无法添加以下方法，因修改会破坏协变安全性
    // fun set(newValue: T) { ... }
}

四、泛型的高级特性与实战案例

4.1 内联类与 reified 参数

通过 inline 和 reified 关键字，可在泛型函数中直接使用类型参数的具体类型：

inline fun <reified T> isInstanceOf(obj: Any?): Boolean {
    return obj is T
}
val result = isInstanceOf<Int>(42) // true

4.2 泛型接口与多态

设计泛型接口时，类型参数可被子类继承或重写：

interface Processor<in T> {
    fun process(data: T)
}
class TextProcessor : Processor<String> {
    override fun process(data: String) { /* ... */ }
}
// 允许将 TextProcessor 赋值给 Processor<Any>
val processor: Processor<Any> = TextProcessor()

4.3 实战案例：通用的缓存系统

class GenericCache<Key, Value> {
    private val map = mutableMapOf<Key, Value>()
    
    fun get(key: Key): Value? = map[key]
    
    fun put(key: Key, value: Value) {
        map[key] = value
    }
}

// 使用示例
val stringIntCache = GenericCache<String, Int>()
stringIntCache.put("age", 25)
val cachedAge = stringIntCache.get("age") // 类型为 Int?

五、泛型的局限性与注意事项

5.1 类型擦除（Type Erasure）

Kotlin 泛型在编译时会被擦除为具体类型（如 Object），因此无法在运行时获取类型参数的具体信息。例如：

fun <T> printGenericType() {
    // 以下代码编译时会报错
    // println(T::class) // 错误：无法获取 T 的具体类型
}

5.2 避免复杂的泛型层级

过度嵌套的泛型参数会降低代码可读性。例如：

fun <T, K, V> complexMethod(data: T, key: K, value: V) { /* ... */ }

这种情况下，应考虑拆分功能或使用数据类封装参数。

结论

Kotlin 泛型如同编程世界中的“瑞士军刀”，它以优雅的方式解决了类型安全与代码复用的矛盾。通过参数化类型、类型约束、协变/逆变等机制，开发者能够编写出既灵活又健壮的代码。无论是构建通用容器、设计算法接口，还是实现复杂的系统架构，泛型都是提升开发效率的关键工具。

掌握泛型并非一蹴而就，但只要通过实践逐步理解其核心逻辑，你将能在代码中创造出更多可复用且类型安全的解决方案。下次当你需要处理多类型数据时，不妨尝试用泛型重构代码——这或许会成为你开发流程中的一次“质的飞跃”。

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