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Java中的逆变与协变

看下面一段代码

Number num = new Integer(1);   ArrayList<Number> list = new ArrayList<Integer>(); //type mismatch  List<? extends Number> list = new ArrayList<Number>(); list.add(new Integer(1)); //error list.add(new Float(1.2f));  //error

有人会纳闷,为什么 Number 的对象可以由 Integer 实例化,而 ArrayList<Number> 的对象却不能由 ArrayList<Integer> 实例化?list中的 <? extends Number> 声明其元素是Number或Number的派生类,为什么不能add IntegerFloat ?为了解决这些问题,我们需要了解Java中的逆变和协变时怎么回事以及泛型中通配符的用法。

1. 逆变与协变

在介绍逆变与协变之前,先引入 Liskov替换原则 (Liskov Substitution Principle, LSP)。

Liskov替换原则

LSP由Barbara Liskov于1987年提出,其定义如下:

所有引用基类(父类)的地方必须能透明地使用其子类的对象。

LSP包含以下四层含义:

  • 子类完全拥有父类的方法,且具体子类必须实现父类的抽象方法。
  • 子类中可以增加自己的方法。
  • 当子类覆盖或实现父类的方法时,方法的形参要比父类方法的更为宽松。
  • 当子类覆盖或实现父类的方法时,方法的返回值要比父类更严格。

前面的两层含义比较好理解,后面的两层含义会在下文中详细解释。根据LSP,我们在实例化对象的时候,可以用其子类进行实例化,比如:

Number num = new Integer(1); 

定义

逆变与协变用来描述类型转换(type transformation)后的继承关系,其定义:如果 A B 表示类型, f (⋅) 表示类型转换, 表示继承关系(比如, AB 表示 A 是由 B 派生出来的子类);

  • f (⋅) 是逆变(contravariant)的,当 AB 时有 f ( B )≤ f ( A ) 成立;
  • f (⋅) 是协变(covariant)的,当 AB 时有 f ( A )≤ f ( B )
  • f (⋅) 是不变(invariant)的,当 AB 时上述两个式子均不成立,即 f ( A ) f ( B ) 相互之间没有继承关系。

类型转换

接下来,我们看看Java中的常见类型转换的协变性、逆变性或不变性。

泛型

f(A)=ArrayList<A> ,那么 f (⋅) 时逆变、协变还是不变的呢?如果是逆变,则 ArrayList<Integer>ArrayList<Number> 的父类型;如果是协变,则 ArrayList<Integer>ArrayList<Number> 的子类型;如果是不变,二者没有相互继承关系。开篇代码中用 ArrayList<Integer> 实例化 list 的对象错误,则说明泛型是不变的。

数组

f(A)=[]A ,容易证明数组是协变的:

Number[] numbers = new Integer[3]; 

方法

方法的形参是协变的、方法的返回值时逆变的:

static Number method(Number num) {     return 1; }  Object result = method(new Integer(2)); //correct Number result = method(new Object()); //error Integer result = method(new Integer(2)); //error

2. 泛型中的通配符

实现泛型的协变与逆变

Java中泛型是不变的,可有时需要实现逆变与协变,怎么办呢?这时,通配符 ? 派上了用场:

  • <? extends> 实现了泛型的协变,比如:
List<? extends Number> list = new ArrayList<Integer>();
  • <? super> 实现了泛型的逆变,比如:
List<? super Number> list = new ArrayList<Object>();

extends与super

为什么(开篇代码中) List<? extends Number> list 在add IntegerFloat 会发生编译错误?首先,我们看看add的实现:

public interface List<E> extends Collection<E> {     boolean add(E e); }

在调用add方法时,泛型 E 自动变成了 <? extends Number> ,其表示list所持有的类型为 在Number与Number派生子类中的某一类型 ,其中包含Integer类型却又不特指为Integer类型(像个备胎一样!!!),故add Integer 是发生编译错误。

为了能调用add方法,可以用 super 关键字实现:

List<? super Number> list = new ArrayList<Object>(); list.add(new Integer(1)); list.add(new Float(1.2f));

<? super Number> 表示list所持有的类型为 在Number与Number的基类中的某一类型 ,其中Integer与Float必定为这 某一类型 的子类;所以add方法能被正确调用。从上面的例子可以看出, extends 确定了泛型的上界,而 super 确定了泛型的下界。

PECS

现在问题来了:究竟什么时候用extends什么时候用super呢?《Effective Java》给出了答案:

PECS: producer-extends, consumer-super.

比如,一个简单的Stack API:

public class  Stack<E>{     public Stack();     public void push(E e):     public E pop();     public boolean isEmpty(); }

要实现 pushAll(Iterable<E> src) 方法,将src的元素逐一入栈:

public void pushAll(Iterable<E> src){     for(E e : src)         push(e) }

假设有一个实例化 Stack<Number> 的对象stack,src有 Iterable<Integer>Iterable<Float> ;在调用pushAll方法时会发生type mismatch错误,因为Java中泛型是不可变的, Iterable<Integer>Iterable<Float> 都不是 Iterable<Number> 的子类型。因此,应改为

// Wildcard type for parameter that serves as an E producer public void pushAll(Iterable<? extends E> src) {     for (E e : src)         push(e); }

要实现 popAll(Collection<E> dst) 方法,将Stack中的元素依次取出add到dst中,如果不用通配符实现:

// popAll method without wildcard type - deficient! public void popAll(Collection<E> dst) {     while (!isEmpty())         dst.add(pop());    }

同样地,假设有一个实例化 Stack<Number> 的对象stack,dst为 Collection<Object> ;调用popAll方法是会发生type mismatch错误,因为 Collection<Object> 不是 Collection<Number> 的子类型。因而,应改为:

// Wildcard type for parameter that serves as an E consumer public void popAll(Collection<? super E> dst) {     while (!isEmpty())         dst.add(pop()); }

在上述例子中,在调用pushAll方法时生产了E 实例(produces E instances),在调用popAll方法时dst消费了E 实例(consumes E instances)。Naftalin与Wadler将PECS称为 Get and Put Principle

java.util.Collections的copy方法(JDK1.7)完美地诠释了PECS:

public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {     int srcSize = src.size();     if (srcSize > dest.size())         throw new IndexOutOfBoundsException("Source does not fit in dest");      if (srcSize < COPY_THRESHOLD ||         (src instanceof RandomAccess && dest instanceof RandomAccess)) {         for (int i=0; i<srcSize; i++)             dest.set(i, src.get(i));     } else {         ListIterator<? super T> di=dest.listIterator();         ListIterator<? extends T> si=src.listIterator();         for (int i=0; i<srcSize; i++) {             di.next();             di.set(si.next());         }     } }

PECS总结:

  • 要从泛型类取数据时,用extends;
  • 要往泛型类写数据时,用super;
  • 既要取又要写,就不用通配符(即extends与super都不用)。

3. 参考资料

[1] meriton, Covariance, Invariance and Contravariance explained in plain English? .

[2] Bert F, Difference between <? super T> and <? extends T> in Java .

[3] Joshua Bloch, Effective Java.

正文到此结束
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