Java中的逆变与协变

最新推荐文章于 2023-10-06 20:37:02 发布

zhuguorong11

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分类专栏： java 文章标签： Java

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看下面一段代码：

// public final class Integer extends Number
Number num = new Integer(1);  
List<Number> list = new ArrayList<>();
list.add(new Integer(3));
ArrayList<Number> list = new ArrayList<Integer>(); //type mismatch
 
List<? extends Number> list = new ArrayList<Number>();
list.add(new Integer(1)); //error

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 Integer?为了解决这些问题，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

Java中String类型是继承自Object的，姑且记做String ≦ Object，表示String是Object的子类型，String的对象可以赋给Object的对象。而Object的数组类型Object[]，理解成是由Object构造出来的一种新的类型,可以认为是一种构造类型，记f(Object)，那么可以这么来描述协变和逆变：
当A ≦ B时,如果有f(A) ≦ f(B),那么f叫做协变；
当A ≦ B时,如果有f(B) ≦ f(A),那么f叫做逆变；
如果上面两种关系都不成立则叫做不可变。

2. 泛型中的通配符实现协变与逆变

JAVA中泛型是不变的，可有时需要实现逆变与协变，怎么办呢？这时就需要通配符?。
<? extends>实现了泛型的协变，比如：

List<? extends Number> list = new ArrayList<>();

“? extends Number”则表示通配符”?”的上界为Number，换句话说就是，“? extends Number”可以代表Number或其子类，但代表不了Number的父类（如Object），因为通配符的上界是Number。
于是有“? extends Number” ≦ Number，则List<? extends Number> ≦ List< Number >。那么就有：


List<? extends Number> list001 = new ArrayList<Integer>();
List<? extends Number> list002 = new ArrayList<Float>();

但是这里不能向list001、list002添加除null以外的任意对象。可以这样理解一下，List<Integer>可以添加Interger及其子类，List<Float>可以添加Float及其子类，List<Integer>、List<Float>都是List<? extends Animal>的子类型，如果能将Float的子类添加到List<? extends Animal>中，就说明Float的子类也是可以添加到List<Integer>中的，显然是不可行。故java为了保护其类型一致，禁止向List<? extends Number>添加任意对象，不过却可以添加null。

<? super>实现了泛型的逆变，比如：

List<? super Number> list = new ArrayList<>();

“? super Number” 则表示通配符”?”的下界为Number。为了保护类型的一致性，因为“？ super Number”可以是Object或其他Number的父类，因无法确定其类型，也就不能往List<? super Number >添加Number的任意父类对象。但是可以向List<? super Number >添加Number及其子类。

List<? super Number> list001 = new ArrayList<Number>();
List<? super Number> list002 = new ArrayList<Object>();
list001.add(new Integer(3));
list002.add(new Integer(3));

3．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>与 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>与 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：