I generics in Java rappresentano uno dei pilastri della tipizzazione moderna del linguaggio. Introdotti con Java 5, hanno cambiato radicalmente il modo di scrivere API, rendendo il codice più sicuro, leggibile e riutilizzabile. Il loro obiettivo è semplice ma potente: permettere a classi, interfacce e metodi di operare su tipi diversi senza perdere la sicurezza del tipo. Questo approccio consente di intercettare errori in fase di compilazione invece che a runtime, garantendo robustezza e coerenza semantica in tutto il codice.

Prima dei generics, le collezioni Java accettavano solo tipi Object. Questo significava che ogni elemento inserito doveva essere recuperato con un cast esplicito, con il rischio concreto di una ClassCastException. Con i generics, il compilatore sa fin da subito che tipo di oggetti una collezione può contenere, eliminando la necessità dei cast.

Un esempio semplice chiarisce il concetto:

List<String> nomi = new ArrayList<>();
nomi.add("Luca");
String nome = nomi.get(0);

Senza generics lo stesso codice sarebbe stato più pericoloso:

List nomi = new ArrayList();
nomi.add("Luca");
String nome = (String) nomi.get(0);

La differenza è netta: nel primo caso il compilatore previene errori, nel secondo no.

I parametri di tipo e la loro sintassi

I generics introducono i type parameter, ovvero segnaposto che rappresentano un tipo generico e che vengono specificati solo al momento dell'uso. I parametri si dichiarano tra parentesi angolari (<>) e seguono convenzioni molto rigide e universalmente accettate: T per un tipo generico, E per un elemento, K e V per chiavi e valori, N per numeri.

public class Box<T> {
    private T value;
    public void set(T value) { this.value = value; }
    public T get() { return value; }
}

L'utilizzo è altrettanto semplice:

Box<Integer> box = new Box<>();
box.set(42);
Integer valore = box.get();

Questo approccio rende il codice più leggibile, più sicuro e perfettamente integrato con il sistema di tipi statici di Java.

Dietro questa sintassi apparentemente semplice si nasconde un meccanismo sofisticato. Quando dichiari Box<T>, stai dicendo al compilatore: "Questa classe funziona con un tipo che specificherò dopo". È un contratto posticipato, una promessa che mantieni solo quando istanzi l'oggetto. Il compilatore tiene traccia di questa promessa e verifica che tu la rispetti in ogni punto del codice.

La bellezza dei type parameter sta nella loro versatilità. Puoi avere classi con un singolo parametro come Box<T>, oppure con multipli parametri come Map<K, V>. Ogni parametro è indipendente ma coordinato dal compilatore, che si assicura che non ci siano conflitti o ambiguità. Le convenzioni di naming (T, E, K, V) non sono obbligatorie ma universalmente rispettate: ignorarle significa rendere il codice incomprensibile per chiunque altro.

Un dettaglio spesso trascurato: i type parameter possono essere usati ovunque nel corpo della classe. Come tipo di ritorno, come parametro di metodo, come tipo di field, persino come bound per altri type parameter. Questa flessibilità è ciò che rende i generics così potenti, ma anche ciò che può generare confusione nei principianti.

Vincoli e bounded type parameters

In molti casi non basta sapere che un tipo è generico, ma serve limitarlo. Per questo esistono i bounded type parameters, che permettono di specificare che un parametro di tipo deve estendere (o implementare) un'altra classe o interfaccia.

public <T extends Number> void stampa(T valore) {
    System.out.println(valore.doubleValue());
}

In questo modo, il metodo accetterà solo tipi numerici come Integer, Double, BigDecimal. È possibile anche impostare vincoli multipli con l'operatore &, ad esempio <T extends Number & Comparable<T>>, per richiedere che il tipo sia sia un numero sia comparabile.

I bounded type parameters risolvono un problema fondamentale: come fai a usare metodi specifici su un tipo generico se non sai cosa sia? Senza vincoli, un T generico è praticamente inutile: puoi solo assegnarlo, confrontarlo con null, e poco altro. Con extends, dichiari che il tipo deve avere almeno le caratteristiche di una classe o interfaccia specifica, e improvvisamente puoi chiamare i suoi metodi.

Il vincolo extends funziona sia con classi che con interfacce, ma la sintassi rimane sempre la stessa. Questo può confondere: in Java normale usi extends per le classi e implements per le interfacce, ma nei generics usi sempre extends. È una scelta di design per semplificare la sintassi, anche se semanticamente stai implementando un'interfaccia.

I vincoli multipli sono ancora più potenti ma anche più complessi. Quando scrivi <T extends Number & Comparable<T>>, stai richiedendo che il tipo sia contemporaneamente un numero e comparabile con se stesso. Il compilatore verifica che tutte le condizioni siano soddisfatte, altrimenti rifiuta il codice. L'ordine è importante: la classe (se presente) deve venire prima, poi le interfacce. <T extends Comparable<T> & Number> darebbe errore.

Un caso d'uso comune è nei metodi di utility generici che devono operare su collezioni ordinate. Senza bounded types, non potresti chiamare compareTo() sugli elementi. Con il bound <T extends Comparable<T>>, il compilatore sa che ogni elemento può essere confrontato, e il codice diventa type-safe.

Wildcards e il principio PECS

Le wildcard permettono di gestire collezioni e tipi generici in modo più flessibile. Una wildcard (?) rappresenta un tipo sconosciuto, e può essere usata in tre modi:

? → tipo sconosciuto generico
? extends T → tipo che estende T (il produttore)
? super T → tipo che è superclasse di T (il consumatore)

La regola chiave da ricordare è PECS: Producer Extends, Consumer Super. Se il parametro produce dati, si usa extends; se li consuma, si usa super.

void copia(List<? extends Number> sorgente, List<? super Number> destinazione) {
    for (Number n : sorgente) destinazione.add(n);
}

Le wildcard sono il punto dove molti sviluppatori Java si perdono. La sintassi è strana, le regole sembrano arbitrarie, e gli errori del compilatore diventano criptici. Ma c'è una logica precisa dietro tutto questo caos apparente.

La wildcard unbounded (?) significa "qualsiasi tipo". Non puoi fare molto con essa: puoi leggere oggetti come Object, ma non puoi scrivere nulla (eccetto null) perché il compilatore non sa che tipo sia. È utile quando ti interessa solo che esista un tipo, non quale sia.

? extends T è la wildcard covariante. Dice: "Questo può essere T o qualsiasi suo sottotipo". Puoi leggere elementi sicuri che saranno almeno di tipo T, ma non puoi scrivere (eccetto null) perché non sai il tipo esatto. Una List<? extends Number> potrebbe essere una List<Integer> o una List<Double>, e inserire un Integer in una List<Double> sarebbe un disastro.

? super T è la wildcard controvariante. Dice: "Questo può essere T o qualsiasi suo supertipo". Puoi scrivere elementi di tipo T o suoi sottotipi (perché sicuramente entreranno in un contenitore più generico), ma leggendo ottieni solo Objectperché non sai quale supertipo sia esattamente.

PECS è il mantra che salva la vita. Se un metodo produce dati che tu consumi, usa extends. Se un metodo consuma dati che tu produci, usa super. Nel metodo copia() sopra, la sorgente produce numeri (li leggiamo), quindi extends. La destinazione consuma numeri (li scriviamo), quindi super. Viola questa regola e il compilatore ti massacra.

Type Erasure: cosa succede a runtime

Il meccanismo che permette ai generics di funzionare pur mantenendo la compatibilità con il vecchio bytecode è il type erasure. Durante la compilazione, il compilatore rimuove le informazioni sui tipi generici, sostituendole con i loro bound(oppure con Object se non specificato). Il risultato è che i tipi generici non esistono più a runtime.

Questo significa che non è possibile verificare il tipo parametrico di un oggetto:

if (obj instanceof Box<Integer>) // errore

né creare array di tipi generici:

List<String>[] liste = new List<String>[10]; // errore

Il compilatore effettua tutti i controlli in fase di compilazione e genera codice compatibile con la JVM pre-generics, inserendo automaticamente i cast dove serve.

Il type erasure è allo stesso tempo un colpo di genio e una limitazione frustrante. È stato necessario per mantenere la compatibilità binaria: il bytecode Java generato da codice con generics deve poter girare su JVM vecchie che non sanno cosa siano. La soluzione? Cancellare i tipi generici dopo averli controllati.

In pratica, Box<Integer> e Box<String> diventano entrambi Box a runtime. Il compilatore sostituisce ogni T con il suo upper bound (o Object se non specificato), e inserisce cast espliciti dove necessario. Il codice che scrivi con generics è zucchero sintattico: sotto il cofano, è ancora cast manuali ovunque, solo che il compilatore li gestisce per te.

Le conseguenze sono importanti. Non puoi usare instanceof con tipi parametrici perché quell'informazione non esiste a runtime. Non puoi creare array generici perché Java deve conoscere il tipo esatto degli array a runtime per la sicurezza, e con l'erasure quella info è persa. Non puoi fare reflection precisa sui tipi generici senza usare trick complessi.

Alcune librerie (come Gson o Jackson per JSON) aggirano il problema usando un pattern chiamato TypeToken, dove passi esplicitamente l'informazione del tipo a runtime tramite una classe anonima che preserva i generic attraverso la reflection. È un workaround elegante ma rivela i limiti del type erasure.

Il lato positivo? Nessun overhead a runtime. I generics sono puramente compile-time, quindi non paghi nulla in termini di performance. E la compatibilità è garantita: codice pre-generics e post-generics coesiste senza problemi.

Metodi generici e inferenza del tipo

I metodi generici possono esistere anche all'interno di classi non generiche. L'inferenza del tipo da parte del compilatore permette di scrivere codice conciso e pulito:

public static <T> void stampaArray(T[] array) {
    for (T e : array) System.out.println(e);
}

Quando il metodo viene invocato, il compilatore deduce automaticamente il tipo:

stampaArray(new Integer[]{1, 2, 3});

In casi più complessi, l'inferenza può essere forzata esplicitamente:

Util.<String>stampaArray(new String[]{"a", "b"});

I metodi generici sono indipendenti dalla classe che li contiene. Una classe normale, non generica, può avere metodi generici. Questo è fondamentale per le utility class tipo Collections o Arrays, dove i metodi operano su tipi diversi senza che la classe stessa sia parametrizzata.

L'inferenza del tipo è uno dei trionfi del compilatore Java. Nella maggior parte dei casi, non devi specificare esplicitamente il tipo parametrico quando chiami un metodo generico: il compilatore lo deduce dal contesto. Guarda gli argomenti che passi, il tipo di ritorno atteso, e risolve il puzzle automaticamente. Java 7 ha introdotto il diamond operator (<>) e Java 8 ha migliorato ulteriormente l'inferenza, rendendo il codice molto più pulito.

Ma l'inferenza ha limiti. In situazioni ambigue, dove il compilatore non riesce a dedurre il tipo univocamente, devi specificarlo esplicitamente con la sintassi Classe.<Tipo>metodo(). È verboso ma necessario. Un caso comune è quando il tipo viene usato solo nel return type e non negli argomenti: senza altri indizi, il compilatore non può indovinare.

I metodi generici sono anche il luogo dove i bounded types brillano. Un metodo come <T extends Comparable<T>> T max(T a, T b) è elegante e type-safe: accetta solo tipi comparabili e restituisce lo stesso tipo. Senza generics, dovresti usare Object e cast ovunque, con tutti i rischi associati.

Un dettaglio spesso ignorato: puoi avere metodi generici anche in classi generiche, e i type parameter possono essere diversi. Una Box<T> può avere un metodo <U> void trasforma(Function<T, U> f) dove U è indipendente da T. Questo livello di flessibilità permette API estremamente espressive.

Generics su interfacce e gerarchie

Anche le interfacce e le classi astratte possono essere generiche. Questa possibilità è ciò che permette la costruzione di framework modulari e fortemente tipizzati, come le API di persistenza o le librerie di rete.

public interface Repository<T> {
    void save(T entity);
    T findById(int id);
}

La classe concreta può specificare il tipo:

public class UserRepository implements Repository<User> { ... }

oppure lasciarlo parametrico per un'ulteriore specializzazione:

public class GenericRepository<T> implements Repository<T> { ... }

Le interfacce generiche sono la base di quasi tutti i framework moderni Java. Spring Data usa Repository<T, ID>, JPA usa EntityManager con generics, Stream API è costruita su Stream<T>. Senza generics, questi framework sarebbero impossibili da usare in modo type-safe.

Quando implementi un'interfaccia generica, hai due scelte. Puoi specificare il tipo concreto, creando una classe non generica che lavora su un tipo specifico. Oppure puoi mantenere il parametro, creando una classe generica che può essere ulteriormente specializzata. La prima opzione è più comune per le implementazioni finali (tipo StringList implements List<String>), la seconda per le classi intermedie o astratte.

La gerarchia di tipi con i generics segue regole precise. List<String> NON è un sottotipo di List<Object>, anche se String è un sottotipo di Object. Questo è chiamato invarianza, e previene errori subdoli. Se potessi trattare una List<String> come una List<Object>, potresti inserirci un Integer e rompere tutto. Le wildcard risolvono questo problema permettendo la covarianza (List<? extends Object>) quando serve.

Un pattern potente è usare generics ricorsivi nei bound: interface Comparable<T extends Comparable<T>>. Significa "un tipo comparabile con se stesso". È strano da leggere ma estremamente utile: garantisce che Integer sia Comparable<Integer>, non Comparable<String>. Questo pattern (chiamato F-bounded polymorphism) appare in molte API Java.

Le interfacce generiche permettono anche di definire contratti flessibili. Un'interfaccia Converter<S, T> con metodi T convert(S source) può essere implementata infinite volte per conversioni diverse, mantenendo sempre la type-safety. È il pattern Strategy con i generics, ed è potentissimo.

Limiti e riflessioni finali

I generics hanno anche limiti precisi. Non supportano i tipi primitivi, non permettono l'overloading basato solo sul tipo parametrico e non conservano informazioni di tipo a runtime a causa del type erasure. Tuttavia, questi limiti sono un compromesso necessario per mantenere la compatibilità binaria con il codice precedente.

Nel complesso, i generics rappresentano uno dei meccanismi più raffinati del linguaggio Java: sono allo stesso tempo un potente strumento di astrazione e una garanzia di sicurezza. Capirli a fondo — conoscendo i bounded types, le wildcard, le inferenze e le limitazioni del type erasure — significa padroneggiare davvero il sistema di tipi di Java e scrivere codice che non solo funziona, ma che resiste nel tempo.

I limiti dei generics non sono bug, sono scelte di design. L'assenza di tipi primitivi (List<int> non esiste, devi usare List<Integer>) è dovuta al fatto che i primitivi non sono oggetti e il type erasure produce Object. L'autoboxing nasconde il problema ma introduce overhead di performance. Progetti come Valhalla mirano a risolvere questo, ma per ora dobbiamo conviverci.

L'impossibilità di fare overloading basato solo sui generics (void metodo(List<String> x) e void metodo(List<Integer> x) sono identici dopo l'erasure) è frustrante ma inevitabile. Il bytecode deve distinguere i metodi, e dopo l'erasure sono identici. La soluzione è usare nomi diversi o parametri aggiuntivi per disambiguare.

La mancanza di informazione a runtime rende alcuni pattern impossibili o molto complicati. Vuoi creare un'istanza di T? Non puoi con new T(), devi passare una Class<T> esplicitamente. Vuoi fare pattern matching sul tipo generico? Impossibile con instanceof, devi usare reflection complessa. Questi workaround funzionano ma aggiungono complessità.

Nonostante i limiti, i generics hanno trasformato Java. Il codice scritto senza generics oggi sembra primitivo: cast ovunque, nessuna garanzia, warning del compilatore. I generics hanno reso possibile API eleganti, framework potenti, codice leggibile e manutenibile. Le librerie moderne sono impensabili senza: RxJava, Reactor, Spring Framework, tutto si basa sui generics.

La curva di apprendimento è ripida. Le wildcard confondono, il type erasure frustra, i bounded types complicano. Ma una volta superata la collina, i generics diventano naturali. Inizi a pensare in termini di contratti di tipo, di invarianti da mantenere, di API che si auto-documentano. Il tuo codice diventa più robusto, i tuoi bug diminuiscono, i tuoi colleghi ti ringraziano.

In definitiva, i generics sono ciò che separa Java da linguaggi più permissivi. Sono la disciplina che ti obbliga a pensare, il vincolo che ti rende libero. Se vuoi scrivere Java professionale, non puoi ignorarli. E una volta padroneggiati, ti chiedi come hai fatto a vivere senza.