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中的逆变和协变以及泛型中通配符用法。

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,\(f(\cdot)\)表示类型转换,\(\leq\)表示继承关系(比如,\(A \leq B\)表示\(A\)是由\(B\)派生出来的子类);

  • \(f(\cdot)\)是逆变(contravariant)的,当\(A \leq B\)时有\(f(B) \leq f(A)\)成立;
  • \(f(\cdot)\)是协变(covariant)的,当\(A \leq B\)时有\(f(A) \leq f(B)成立\)
  • \(f(\cdot)\)是不变(invariant)的,当\(A \leq B\)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\(f(\cdot)\)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、返回值是逆变的:


通过与网友iamzhoug37的讨论,更新如下。

调用方法result = method(n);根据Liskov替换原则,传入形参n的类型应为method形参的子类型,即typeof(n)≤typeof(method's parameter);result应为method返回值的基类型,即typeof(methods's return)≤typeof(result)

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

在Java 1.4中,子类覆盖(override)父类方法时,形参与返回值的类型必须与父类保持一致:

class Super {
    Number method(Number n) { ... }
}

class Sub extends Super {
    @Override 
    Number method(Number n) { ... }
}

从Java 1.5开始,子类覆盖父类方法时允许协变返回更为具体的类型:

class Super {
    Number method(Number n) { ... }
}

class Sub extends Super {
    @Override 
    Integer method(Number n) { ... }
}

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(Integer像个备胎一样!!!),故add Integer时发生编译错误。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.

posted @ 2015-12-12 13:48 Treant 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏