Java中的逆变与协变

看下面一段代码

Number num = new Integer(1);  
ArrayList list = new ArrayList(); //type mismatch

List list = new ArrayList();
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的对象却不能由ArrayList实例化?list中的声明其元素是Number或Number的派生类,为什么不能addIntegerFloat?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

f(⋅)f(⋅)是逆变(contravariant)的,当A≤BA≤B时有f(B)≤f(A)f(B)≤f(A)成立;
f(⋅)f(⋅)是协变(covariant)的,当A≤BA≤B时有f(A)≤f(B)成立f(A)≤f(B)成立;
f(⋅)f(⋅)是不变(invariant)的,当A≤BA≤B时上述两个式子均不成立,即f(A)f(A)与f(B)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,那么

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:

实现了泛型的协变,比如:

List list = new ArrayList();

实现了泛型的逆变,比如:

List list = new ArrayList();

extends与super

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

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

在调用add方法时,泛型E自动变成了,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addInteger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 list = new ArrayList();
list.add(new Integer(1));
list.add(new Float(1.2f));

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

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

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

假设有一个实例化Stack的对象stack,src有IterableIterable;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,IterableIterable都不是Iterable的子类型。因此,应改为

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

要实现popAll(Collection 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 dst) {
    while (!isEmpty())
        dst.add(pop());   
}

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

// Wildcard type for parameter that serves as an E consumer
public void popAll(Collection 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  void copy(List dest, List 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 di=dest.listIterator();
        ListIterator 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 and in Java.
[3] Joshua Bloch, Effective Java.

:http://www.linuxidc.com/Linux/2017-07/145627.htm