Generics cơ bản — class và method nhận kiểu làm tham số

Bạn đã dùng List<String>, Map<String, Integer> trong nhiều bài trước. Dấu <...> là generics — cơ chế Java cho phép class/method nhận kiểu làm tham số. Thay vì viết StringList, IntegerList, UserList riêng, bạn viết một List<E> duy nhất, compiler thay E bằng kiểu cụ thể ở call site.

Bài này giải thích tại sao generics cần thiết (pre-Java 5 không có), cú pháp class/method generic, bounded type parameter, và viết một Box<T> đơn giản để nắm cơ chế.

1. Trước Java 5 — thế giới không generics

// Java 4 style — khong generics
List list = new ArrayList();
list.add("hello");
list.add(42);          // cast vo tu — compiler khong can
String s = (String) list.get(0);   // phai cast moi lan
String broken = (String) list.get(1);   // ClassCastException RUNTIME

Vấn đề:

• Compiler không biết list chứa gì → không check type at compile time.
• Add nhầm kiểu → ra runtime mới biết → bug tinh vi.
• Caller cast mọi lần → code nặng nề, dễ sai.

Sơ đồ so sánh cơ chế kiểm tra kiểu (Type Casting vs Generics):

Cơ chế cũ (Pre-Java 5: Ép kiểu thủ công - Type Casting)
======================================================
[ Client Code ] --(add Object)--> [ ArrayList (raw) ]
      |                                   |
      | (Lấy dữ liệu ra)                  | (Chứa Object)
      v                                   v
[ Ép kiểu thủ công (String) ] <----(trả Object)---
      |
      +---> Thành công (nếu đúng kiểu)
      +---> LỖI RUNTIME ClassCastException (nếu sai kiểu)

Cơ chế mới (Java 5+: Tự động kiểm tra an toàn - Generics)
======================================================
[ Client Code ]
      |
      |--(Truyền String)--> [ Kiểm tra kiểu (Compile-time) ] --(Hợp lệ)--> [ ArrayList<String> ]
      |                           |                                                |
      |                           v (Báo lỗi nếu sai kiểu)                         | (Lưu trữ & Xóa kiểu)
      |                    [ COMPILE ERROR! ]                                      |
      |                                                                            |
      |<----(Tự động chèn cast ẩn)-------------------------------------------------+

Java 5 (2004) giới thiệu generics để fix:

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("hello");
list.add(42);          // COMPILE ERROR — int khong phai String
String s = list.get(0);   // khong can cast

Compiler bắt kiểu tại compile time, bỏ cast runtime, type-safe từ đầu đến cuối.

2. Cú pháp generic class

public class Box<T> {
    private T value;

    public void set(T value) { this.value = value; }
    public T get() { return value; }
}

// Su dung:
Box<String> s = new Box<>();
s.set("hello");
String v = s.get();    // tu dong la String, khong cast

Box<Integer> i = new Box<>();
i.set(42);
int n = i.get();       // auto-unbox Integer -> int

• <T> khai báo type parameter — chữ viết hoa đơn, convention T, E, K, V, R.
• Trong class body, T dùng như kiểu bình thường — compiler thay bằng kiểu cụ thể ở call site.
• new Box<>() — diamond operator (Java 7+), compiler suy String/Integer từ biến khai báo.

2.1 Convention tên type parameter

Để giữ cho mã nguồn dễ đọc và nhất quán, Java quy ước sử dụng các ký tự đơn, viết hoa để đại diện cho tham số kiểu:

Không bắt buộc theo — nhưng đọc quen mắt với JDK.

2.2 Nhiều type parameter

public class Pair<A, B> {
    private final A first;
    private final B second;

    public Pair(A first, B second) {
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    public A getFirst() { return first; }
    public B getSecond() { return second; }
}

Pair<String, Integer> p = new Pair<>("Alice", 30);

3. Generic method

Không chỉ class — method cũng có thể generic riêng:

public class Utils {
    public static <T> T firstOrDefault(List<T> list, T defaultValue) {
        return list.isEmpty() ? defaultValue : list.get(0);
    }
}

String s = Utils.firstOrDefault(List.of("a", "b"), "default");   // "a"
Integer n = Utils.firstOrDefault(List.<Integer>of(), 0);          // 0

Cú pháp: <T> khai trước return type. Compiler suy T từ argument.

// Compiler infer T = String
firstOrDefault(List.of("a"), "default");

// Explicit:
Utils.<String>firstOrDefault(List.of("a"), "default");

3.1 Generic method trong generic class

Class có type T, method có type riêng R:

public class Container<T> {
    private T value;

    public <R> R transform(Function<T, R> mapper) {
        return mapper.apply(value);
    }
}

Container<Integer> c = new Container<>();
// c.value = ...
String s = c.transform(n -> "value=" + n);

T là class-level, R là method-level.

3.2 Target Type Inference (Java 8+, JEP 101)

Trong các phiên bản Java ban đầu (Java 5 đến 7), khả năng tự động suy luận kiểu (Type Inference) của compiler còn rất sơ khai. Đối với các phương thức generic, dev thường phải khai báo Type Witness tường minh ở call site khi compiler gặp khó khăn trong việc đoán kiểu:

// Cu phap nap kieu tuong minh (Explicit Type Witness) truoc Java 8:
String s = Utils.<String>firstOrDefault(Arrays.asList("a", "b"), "default");

Từ Java 8 (JEP 101 - Generalized Target-Type Inference), JDK đã cải tiến vượt bậc công cụ suy luận kiểu của trình biên dịch. Compiler giờ đây không chỉ nhìn vào các đối số truyền vào phương thức, mà còn phân tích Target Type (Kiểu đích) từ ngữ cảnh xung quanh, bao gồm:

1. Kiểu biến được gán (Variable Assignment Target):
   // Compiler tu luan T = Integer dua vao kieu nhan cua bien n (Integer)
   Integer n = Utils.firstOrDefault(Collections.emptyList(), 0);
   

2. Kiểu đối số truyền vào phương thức lồng nhau (Nested Method Calls Context):
   // Compiler tự biết Collections.emptyList() cần trả về List<String>
   // để tương thích với signature nhận vào của firstOrDefault
   String s = Utils.firstOrDefault(Collections.emptyList(), "default");
   

Nhờ JEP 101, cú pháp <Kiểu> (Type Witness) hầu như không còn cần thiết trong code hàng ngày, giúp code trở nên tinh gọn, tự nhiên mà vẫn đảm bảo tính an toàn kiểu ở mức tối đa tại thời điểm compile.

4. Bounded type parameter — T extends X

Mặc định T có thể là bất kỳ kiểu nào. Nếu cần gọi method của kiểu cụ thể (vd compareTo), giới hạn T bằng extends:

public class SortedBox<T extends Comparable<T>> {
    private final List<T> items = new ArrayList<>();

    public void add(T item) {
        items.add(item);
        Collections.sort(items);   // can T co compareTo
    }
}

SortedBox<Integer> ints = new SortedBox<>();   // OK — Integer implement Comparable
SortedBox<Book> books = new SortedBox<>();      // compile error neu Book khong Comparable

T extends Comparable<T> đọc là "T là một kiểu có thể compare với T". Trong body, compiler biết T có compareTo(T) → cho phép gọi.

4.1 Multi-bound

public class Task<T extends Runnable & AutoCloseable> {
    private final T task;
    public Task(T task) { this.task = task; }

    public void runAndClose() {
        task.run();           // co tu Runnable
        task.close();         // co tu AutoCloseable
    }
}

Cú pháp: T extends A & B & C. Class chỉ cho 1 (nếu có); interface nhiều. Throwable không được.

5. Ví dụ — tự viết Stack<E> đơn giản

public class Stack<E> {
    private final List<E> items = new ArrayList<>();

    public void push(E item) {
        items.add(item);
    }

    public E pop() {
        if (items.isEmpty()) throw new IllegalStateException("Stack is empty");
        return items.remove(items.size() - 1);
    }

    public E peek() {
        if (items.isEmpty()) throw new IllegalStateException("Stack is empty");
        return items.get(items.size() - 1);
    }

    public int size() { return items.size(); }
    public boolean isEmpty() { return items.isEmpty(); }
}

// Su dung:
Stack<Integer> s = new Stack<>();
s.push(1);
s.push(2);
int top = s.pop();   // 2

Viết 1 lần, dùng được với mọi kiểu E — không lặp IntStack, StringStack.

6. Generic interface

public interface Converter<FROM, TO> {
    TO convert(FROM input);
}

public class StringToIntConverter implements Converter<String, Integer> {
    @Override
    public Integer convert(String input) {
        return Integer.parseInt(input);
    }
}

Interface generic dùng khắp JDK: Comparator<T>, Predicate<T>, Function<T, R>, Supplier<T>, Iterable<T>...

7. Kiểu raw — legacy, tránh

List list = new ArrayList();   // RAW TYPE — khong khai kieu
list.add("hello");
list.add(42);                   // compile ok, type-unsafe

Java cho phép dùng raw type để backward compat với code pre-Java 5. Compiler warning "unchecked" — đừng bỏ qua. Raw type bypass type checking.

Luôn khai rõ: List<String>, Map<String, Integer>. Nếu không biết kiểu chính xác, dùng wildcard List<?> (bài 3) — type-safe, rõ ý.

8. Generic không dùng được cho primitive

List<int> list = ...;          // COMPILE ERROR
List<Integer> list = ...;       // OK — wrapper

Generic chỉ chấp nhận reference type. Primitive (int, double...) phải dùng wrapper (Integer, Double). Auto-boxing tự động chuyển:

List<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(42);            // auto-box int -> Integer
int x = list.get(0);     // auto-unbox

Vấn đề perf: mỗi auto-box tạo Integer object trên heap — tốn memory + GC. Trong hot loop tính toán, dùng primitive stream (IntStream, LongStream, DoubleStream) hoặc mảng int[] thay vì List<Integer>.

Java 21 đang bàn Valhalla — generic trên primitive (như C#). Chưa stable.

9. Pitfall tổng hợp

❌ Nhầm 1: Dùng raw type trong code mới.

List list = new ArrayList();   // warning "unchecked"

✅ List<String> list = new ArrayList<>(); với diamond <>.

❌ Nhầm 2: Generic trên primitive.

Box<int> b = new Box<>();   // COMPILE ERROR

✅ Box<Integer>. Nhớ cost auto-box.

❌ Nhầm 3: new T() trong class generic — không được.

class Container<T> {
    T createDefault() { return new T(); }   // COMPILE ERROR
}

✅ Pass factory: Container<T> constructor nhận Supplier<T>.

❌ Nhầm 4: Static field type-generic — không được.

class Container<T> {
    static T shared;   // COMPILE ERROR
}

✅ Static thuộc class, không instance → không có type parameter. Dùng Object hoặc tách ra class non-generic.

❌ Nhầm 5: Exception không generic.

class MyException<T> extends Exception { }   // COMPILE ERROR

✅ Exception không được generic (liên quan type erasure + catch clauses).

10. 📚 Deep Dive Oracle

11. Tóm tắt

• Generics = class/method nhận kiểu làm tham số.
• Trước Java 5: không generics → cast runtime, type-unsafe. Sau: compiler bắt kiểu tại compile time.
• Cú pháp class: class Box<T> { T value; }. Cú pháp method: <T> T foo(T x).
• Diamond <> (Java 7+): new Box<>() — compiler suy kiểu từ context.
• Convention: T generic, E element, K key, V value, R return.
• Bounded: T extends X — giới hạn kiểu, dùng method của X trong body.
• Generic interface dùng khắp JDK (Comparator, Predicate, Function).
• Raw type (List không khai kiểu) — legacy, compiler warning, tránh.
• Generic chỉ cho reference type. Primitive phải dùng wrapper (auto-box cost).
• Không được new T(), không được static field generic, không được generic exception.

12. Tự kiểm tra

public class Pair<A, B> {
    private final A first;
    private final B second;

    public Pair(A first, B second) {
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    public A getFirst() { return first; }
    public B getSecond() { return second; }

    public Pair<B, A> swap() {
        return new Pair<>(second, first);
    }
}

// Su dung:
Pair<String, Integer> p = new Pair<>("alice", 30);
Pair<Integer, String> swapped = p.swap();

public class Container<T> {
    public T createDefault() {
        return new T();
    }
}

public class Container<T> {
    private final Supplier<T> factory;
    public Container(Supplier<T> factory) { this.factory = factory; }
    public T createDefault() { return factory.get(); }
}

// Su dung:
Container<User> c = new Container<>(User::new);   // method reference
User u = c.createDefault();

// Khong bound -> khong goi duoc compareTo
public static <T> T max(List<T> list) {
    // list.stream().sorted(...) -> KHONG biet T co compareTo khong
}

// Bound <T extends Comparable<T>>
public static <T extends Comparable<T>> T max(List<T> list) {
    T maxVal = list.get(0);
    for (T item : list) {
        if (item.compareTo(maxVal) > 0) maxVal = item;
    }
    return maxVal;
}

max(List.of(3, 1, 4, 1, 5));   // OK — Integer implements Comparable<Integer>
max(List.of(new Object()));     // COMPILE ERROR — Object khong Comparable

List<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(42);    // auto-box: int -> Integer
int x = list.get(0);   // auto-unbox: Integer -> int

public class Cache<T> {
    private static List<T> items = new ArrayList<>();
    public static void add(T item) { items.add(item); }
}

Bài tiếp theo: Type erasure — sự thật không dễ chịu của generics Java