Java 泛型的逆变与协变:深入理解类型安全与灵活性

泛型是 Java 中强大的特性之一,它提供了类型安全的集合操作。然而,泛型的类型关系(如逆变与协变)常常让人感到困惑。

本文将深入探讨 Java 泛型中的逆变与协变,帮助你更好地理解其原理和应用场景。

一、什么是协变与逆变?

1. 协变(Covariance)

协变是指子类型关系在泛型中得以保留

  • 例如,如果 Cat 是 Animal 的子类,那么 List 可以被视为 List 的子类型。

2. 逆变(Contravariance)

逆变是指子类型关系在泛型中反转

  • 例如,如果 Cat 是 Animal 的子类,那么 List 可以被视为 List 的父类型。

二、Java 中的协变与逆变

1. 数组的协变

Java 中的数组是协变的。例如:

Animal[] animals = new Cat[10]; // 合法

然而,这种协变可能会导致运行时异常:

animals[0] = new Dog(); // 编译通过,但运行时抛出 ArrayStoreException

2. 泛型的不变性

Java 的泛型是不变的。例如:

List<Animal> animals = new ArrayList<Cat>(); // 编译错误

这种设计是为了保证类型安全。


三、使用通配符实现协变与逆变

1. 协变通配符(<? extends T>)

协变通配符允许泛型类型接受 T 或其子类型。

示例:

List<? extends Animal> animals = new ArrayList<Cat>(); // 合法

限制:

  • 只能从集合中读取数据,不能写入数据:
Animal animal = animals.get(0); // 合法
animals.add(new Cat()); // 编译错误

2. 逆变通配符(<? super T>)

逆变通配符允许泛型类型接受 T 或其父类型。

示例:

List<? super Cat> cats = new ArrayList<Animal>(); // 合法

限制:

  • 只能向集合中写入数据,读取的数据类型不确定:
cats.add(new Cat()); // 合法
Object obj = cats.get(0); // 合法,但类型为 Object

四、协变与逆变的应用场景

1. 协变的应用

协变通配符常用于只读操作

例如遍历集合:

public void printAnimals(List<? extends Animal> animals) {
    for (Animal animal : animals) {
        System.out.println(animal);
    }
}

2. 逆变的应用

逆变通配符常用于写入操作

例如向集合中添加元素:

public void addCat(List<? super Cat> cats) {
    cats.add(new Cat());
}

五、PECS 原则

PECS(Producer Extends, Consumer Super)原则是使用协变与逆变的重要指导:

  • Producer Extends:如果泛型类型是生产者(提供数据),使用 <? extends T>。
  • Consumer Super:如果泛型类型是消费者(接收数据),使用 <? super T>。

示例:

public void copy(List<? extends Animal> src, List<? super Animal> dest) {
    for (Animal animal : src) {
        dest.add(animal);
    }
}

六、总结

  • 协变<? extends T>,用于只读操作,保证类型安全
  • 逆变<? super T>,用于写入操作,提供灵活性
  • PECS 原则:生产者使用 extends,消费者使用 super

通过理解协变与逆变,你可以更好地设计泛型方法,提升代码的灵活性和安全性。希望本文能帮助你掌握 Java 泛型中的这一重要概念!

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