逆变、协变

 

概述

协变，逆变，抗变等概念是从数学中来的，在编程语言Java/Kotlin/C#中主要在泛型中使用。其描述的是两个类型集合之间的继承关系。

定义

假设两个类，Animal 和 Dog, Dog是Animal的子类

class Animal {}

class Dog extends Animal {}

 

还有两个集合 List<Animal> 和 List<Dog>。
现在问题来了，由于Dog是Animal的子类，那么List<Dog>就是List<Animal>的子类这句话在Java中对吗？
答案是否定的。我们这里要说的协变，逆变，抗变就是描述上面两个类型集合的关系的。

• 协变(Covariance)：List 是List的子类型
• 逆变(Contravariance): List 是List的子类型
• 抗变(Invariant): List 与List没有任何继承关系

A subtype must accept at least the same range of types as its supertype declares. A subtype must return at most the same range of types as its supertype declares.

抗变

Java中泛型是抗变的，那就意味着List不是List的子类型。因为如果不这样的话就会产生类型不安全问题。例如下面代码可以通过编译的话，就会在运行时抛出异常

List<String> strs = new ArrayList<String>();
List<Object> objs = strs; 
objs.add(1); 
 // 尝试将Integer 转换为String,发生运行时异常 ClassCastException: Cannot cast Integer to String
String s = strs.get(0);

所以上面的代码在编译时就会报错，这就保证了类型安全。
但值得注意的是Java中的数组是协变的，所以数组真的会遇到上面的问题，编译可以正常通过，但会发生运行时异常，所以在Java中要优先使用泛型集合。

String[] strs= new String[]{"ss007"};
Object[] objs= strs;
objs[0] = 1;

协变抗变性会严重制约程序的灵活性，例如有如下方法copyAll,将一个 String 集合的内容copy到一个Object集合中，这是顺理成章的事。

void copyAll(Collection<Object> to, Collection<String> from) {
     to.addAll(from);
}

但是如果Collection中的addAll方法签名如下的话，copyAll方法就通不过编译，因为通过上面的讲解，我们知道由于抗变性，Collection不是Collection的子类，所以编译通不过。

boolean addAll(Collection<E> c);

那怎么办呢？Java通过通配符参数(wildcard type argument)来解决, 把addAll的签名改成如下即可：

boolean addAll(Collection<? extends E> c);

? extends E 表示此方法可以接收E或者E的子类的集合。此通配符使得泛型类型协变了。

逆变

同理有时我们需要将Collection传递给Collection就使用? super E，其 表示可以接收E或者E的父类，子类的位置却可以接收父类的实例，这就使得泛型类型发生了逆变

void m (List<? super String){
}

协变与逆变的特性

当使用? extends E 时，只能调用传入参数的读取方法而无法调用其修改方法。 当使用? super E时，可以调用输入参数的修改方法，但调用读取方法的话返回值类型永远是Object，几乎没有用处。
是不是感觉不好理解，确实不好理解！
让我们一起看下code吧，理解了Java的这块，Kotlin的In和out关键字就手到擒来了。例如有如下一接口，其有两个方法，一个修改，一个读取。

interface BoxJ<T> {
      T getAnimal();
      void putAnimal(T a);
  }

下面是两个使用通配符的方法，注意看注释//协变，可以接受BoxJ类型的参数

 private Animal getOutAnimalFromBox(BoxJ<? extends Animal> box) {
       Animal animal = box.getAnimal();
      //无法调用该修改方法，因为当调用此方法时无法确定 ？究竟是一个什么类型，没办法传入
      // box.putAnimal(某个类型) 
       return animal;
  }

//逆变，可以接受BoxJ<Animal>类型的参数
 private void putAnimalInBox(BoxJ<? super Dog> box){
        box.putAnimal(new Dog());
        // 虽然可以调用读取方法，但返回的类型却是Object，因为我们只能确定 ？的最顶层基类是Object
        Object animal= box.getAnimal();
  }

PECS 原则

关于Java的通配符如何使用， Effective Java, 3rd Edition 的作者将其总结为：

PECS : stands for Producer-Extends, Consumer-Super.

结合上面代码分析是不是觉得很精辟。

• Producer-Extends 只能调用读取方法，向外提供数据，无法调用修改方法
• Consumer-Super 一般只调用修改方法，消费从外面获取的数据，调用读取方法几乎没什么用，拿到的类型永远是Object

1. 生产者用extends --上界 <? extends T>：只能取不能存

// 当你需要从集合中读取数据时
public void readAnimals(List<? extends Animal> animals) {
    // 这里的集合是数据的生产者
    animals.forEach(Animal::makeSound);
}

2. 消费者用super – 下界 <? super T>：只能存不能取(完全取)

// 当你需要往集合中写入数据时
public void addDogs(List<? super Dog> dogs) {
    // 这里的集合是数据的消费者
    dogs.add(new Dog());
    Object obj = dogs.get(0); // ✅ 只能以Object接收
}

• 如果只读取，用extends
• 如果只写入，用super
• 如果既要读又要写，别用通配符！

// 不要这样
public void confusingMethod(List<?> list) {...}

// 要这样
public <T> void clearMethod(List<T> list) {...}

总结

	extends	super
不能存	不能存	能存(Dog及子类)
能取	能取(Animal)	不能完全取(只能取 Object)
场景	用于生产者场景	用于消费者场景

参考

https://www.zhihu.com/question/4685225699/answer/38577719343
https://zhuanlan.zhihu.com/p/268523581