怎么理解Java中的逆变与协变

2023-06-02 11:35

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这篇文章主要介绍“怎么理解Java中的逆变与协变”，在日常操作中，相信很多人在怎么理解Java中的逆变与协变问题上存在疑惑，小编查阅了各式资料，整理出简单好用的操作方法，希望对大家解答”怎么理解Java中的逆变与协变”的疑惑有所帮助！接下来，请跟着小编一起来学习吧！

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A、B表示类型，f(⋅)表示类型转换，≤表示继承关系（比如，A≤B表示A是由B派生出来的子类）；

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

令f(A)=ArrayList，那么f(⋅)时逆变、协变还是不变的呢？如果是逆变，则ArrayList是ArrayList的父类型；如果是协变，则ArrayList是ArrayList的子类型；如果是不变，二者没有相互继承关系。开篇代码中用ArrayList实例化list的对象错误，则说明泛型是不变的。

数组:

令f(A)=[]A，容易证明数组是协变的：

Number[] numbers = new Integer[3];

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)); //correctNumber result = method(new Object()); //errorInteger 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add Integer和Float会发生编译错误？首先，我们看看add的实现：

public interface Listextends 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add Integer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 class="lazy" data-src)方法，将class="lazy" data-src的元素逐一入栈：

public void pushAll(Iterableclass="lazy" data-src){    for(E e : class="lazy" data-src)        push(e)}

假设有一个实例化Stack的对象stack，class="lazy" data-src有Iterable与 Iterable；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与 Iterable都不是Iterable的子类型。因此，应改为

// Wildcard type for parameter that serves as an E producerpublic void pushAll(Iterable class="lazy" data-src) {    for (E e : class="lazy" data-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(Collectiondst) {    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 consumerpublic 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 staticvoid copy(List dest, List class="lazy" data-src) {    int class="lazy" data-srcSize = class="lazy" data-src.size();    if (class="lazy" data-srcSize > dest.size())        throw new IndexOutOfBoundsException("Source does not fit in dest");    if (class="lazy" data-srcSize < COPY_THRESHOLD ||        (class="lazy" data-src instanceof RandomAccess && dest instanceof RandomAccess)) {        for (int i=0; i<1class="lazy" data-srcsize; i++)="" dest.set(i,="" class="lazy" data-src.get(i));="" }="" else="" {="" listiteratordi=dest.listIterator();        ListIterator si=class="lazy" data-src.listIterator();        for (int i=0; i<1class="lazy" data-srcsize; i++)="" {="" di.next();="" di.set(si.next());="" }=""

PECS总结：