Java泛型的协变与逆变

Hello_java大师

已于 2022-08-04 19:15:36 修改

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于 2022-08-03 18:20:47 首次发布

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本文深入探讨了Java中泛型的协变和逆变特性，通过实例解释了为什么数组是协变的，而泛型是不变的。文章介绍了如何使用extends和super关键字来实现消费场景的协变和生产场景的逆变，并分析了Collection接口中相关方法的源码，以说明这些特性的实际应用。最后，强调了解这些知识对于提高代码质量和安全性的重要性。

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从面向对象说起
Java作为一门面相对象的语言，当然是支持面相对象的三大基本特性的，反手就蹦出三个词：封装、继承、多态。

我们假设有三个类，动物、猫、狗。父类是动物Animal，有两个子类猫Cat和狗Dog。

那在Java中或其它任何支持面相对象的语言中，子类可以把引用赋值给父类。下面这段代码没有任何问题：

Animal animalOne = new Cat();
Animal animalTwo = new Dog();
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理论上来说，一只猫是一只动物，一只狗也是一只动物，所以这完全是可以理解的。其实，这也是SOLID原则中的“里氏替换原则”的一种体现。

数组的协变
如果一只猫是一只动物，那一群猫是一群动物吗？一群狗是一群动物吗？Java数组认为是的。于是你可以这样写：

Animal[] animals = new Cat[2];
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这看起来也没有什么问题。但既然都是一群动物了，我往这一群动物中添加一只猫、一只狗，它还是一群动物，这应该是合理的对吧？来看看这段代码：

Animal[] animals = new Cat[2];
animals[0] = new Cat();
// 下面这行代码会抛运行时异常 animals[1] = new Dog();
Animal animal = animal[0];
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很好，编译没有任何问题。但是一运行，会抛出一个运行时异常：ArrayStoreException。这个异常头顶的注释已经写得很明显了，如果你往数组中添加一个类型不对的对象，就会抛这个异常。它是从JDK 1.0就存在的一个异常。

这么一想，对啊，animals虽然门面上是一个Animal数组，但是它运行时的本质还是一个Cat数组啊，一个Cat数组怎么能添加一个Dog呢？但Java编译器并没有这么智能，而且上述代码在编

译器看来也是合理合法的，所以也就让它编译过了。

所以这种情况，编译器100%过，而运行时100%抛异常，这不是大写的BUG是啥？

如果Cat是Animal的子类型，那么Cat[]也是Animal[]的子类型，我们称这种性质为协变（covariance）。Java中，数组是协变的。

泛型的不变性
在Java 1.5之前，是没有泛型的。那个时候从集合中存取对象都是Object类型，所以每次取出对象后必须进行强转：

List list = new LinkedList(); list.add(123); list.add(“123”); int a = (int)list.get(0); // 下面这段代码会在运行时抛异常 int b = (int)list.get(1); 复制代码
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如果不小心存入集合中对象类型是错的，会在运行时报强转异常。而1.5提供泛型以后，可以让编译器自动帮助转换，并对代码进行检查，使程序更加安全。

在Java8又加入了泛型的类型推导功能，使用泛型以后，我们的代码看起来变得简洁又安全了：

List list = new LinkedList<>();
list.add(123);