协变、逆变与不变：数组、泛型、与返回类型

转自：http://blog.csdn.net/yi_Afly/article/details/52071260

1. 前言

之前几篇博文，有些地方涉及到了协变性、逆变性与不变性在Java中的表现，所以这篇博文将重点记录这方面的内容，并辅以JDK源码中的一些实例，加以说明。

2. 定义

这里讨论的协变、逆变与不变都是编程语言中的概念。下面介绍定义： 
若类A是类B的子类，则记作A ≦ B。设有变换f()，若：

• 当A ≦ B时，有f(A)≦ f(B)，则称变换f()具有协变性。
• 当A ≦ B时，有f(B)≦ f(A)，则称变换f()具有逆变性。
• 当A ≦ B时，f(A)与f(B)无关，则称变换f()具有不变性(原文这里是协变性，应该是作者笔误)。

定义没看懂没关系，下面我们一个一个将Java中常见的f()变换，并举例说明，其中包括：

1. 数组
2. 泛型
3. 方法的返回类型

3. 数组协变

设有Super和Sub两个类，且Sub继承自Super：

public class Super{}
class Sub extends Super{}

则如下代码在Java中是允许的：

Super[] sups = new Sub[];

这里的f()就是从类延伸到数组的变换，而原有的继承关系不变，所以说Java的数组是协变的。 
看似合理的语言设计，其实是存在一些漏洞的。考虑下面的代码：

Object[] objs = new Integer[10];
objs[0] = "afly";

很不合理吧？但是上面的代码在编译时没有报错，只会在运行期抛出ArrayStoreException。这就是数组协变带来的静态类型漏洞：编译期无法完全保证类型安全。关于这个知乎上有些讨论。看上去Java的设计者是在程序的易用性与类型安全之间做了取舍，因为如果不支持数组协变，一些通用的方法如Arrays.sort(Object[])确实没办法正常工作。

4. 泛型不变

依然以Super和Sub为例。下面两行代码在Java中是不允许的：

List<Super> supList = new LinkedList<Sub>();  //error
List<Sub> subList = new LinkedList<Super>();  //error

可以看出，Java的泛型具有不变性。但是泛型的不变性也会带来使用上的不灵活，为此，Java使用有界类型使得泛型可以支持协变与逆变：

List<? extends Super> list = new ArrayList<Sub>();    //允许，协变性
List<? super Sub> list = new ArrayList<Super>();      //允许，逆变性

这里，我们有必要介绍一下Java泛型中的有界类型extends与super的作用。假设现在有ABCDE五个类的继承关系是A≦B≦C≦D≦E，则<? extends C>代表元素可以是C或C的子类A、B；<? super C>代表元素可以是C或C的父类D、E。

下面举例说明有界类型的应用，看Collections.copy方法的原型：

public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src);

Collections.copy完成的功能是将src中的元素复制到dest的对应位置，方法执行完后，dest对应位置的元素与src对应位置元素一致（浅拷贝）。使用extends与super，保证了从src中取出的元素一定是dest元素的子类（或类型相同，都是T），这样就不会在拷贝时产生类型安全问题。 
其实，另一种采用多个类型参数的写法也可以达到相同的效果：

public static <T , S extends T> copy(List<T> dest , List<S> src);

这种写法在The Java™ Tutorials: Generics也有提到，但是不推荐，官方给出的说法是：参数类型S在这里只使用了一次，所以应该用通配符?代替。

我觉得另外的一个好处就是：src是我们的copy方法的Provider，我们只想读，不想写；dest是copy方法的Consumer，我们只想写入，不想读。多参数类型无法帮我们做到这点限制，但是泛型的有界类型可以：

List<? extends Number> l = new ArrayList<Integer>();
l.add(5.5f);  //error

上述代码编译是不通过的，因为l中的元素是Number或Number的子类（实际是Integer），向l中加入一个Float，如果不报错的话，在运行期会出错，所以extends修饰的泛型容器不可写。同样的道理，super修饰的泛型容器不可读（其实是读出来的都是Object，这也符合类型擦除中保留上界的原则）。

大家可以试一下，当使用List<? extends Number>时，add方法的参数类型会变为null；同样，当使用List<? super Number>时，get方法的返回值类型为object(原文为null，可能是作者笔误)。

实际上，不光是泛型容器，任何的泛型类都满足这个限制：当使用extends有界类型时，所有以类型参数为形参的方法均不可用；当使用super有界类型时，所有以类型参数为返回值的方法均以Object替代返回值中的参数类型。。下面看一个自定义的例子，有一个泛型类：

class BoundedWildcardTester<T>{
    private T t;
    public void TasFormalParameter(T t){
        this.t = t;
    }
    public T TasReturnValue(){
        return this.t;
    }
}

使用如下

BoundedWildcardTester<? extends Number> bwt = new BoundedWildcardTester<Integer>();
bwt.TasFormalParameter(1);          //error
bwt.TasReturnValue();               //return Number

BoundedWildcardTester<? super Number> bwt2 = new BoundedWildcardTester<Object>();
bwt2.TasFormalParameter(1);         //access
bwt2.TasReturnValue();              //return Object

方法名是自解释的，注释也很清楚了。这一限定在《Effective Java》中被称为PECS（Producer-Extends Consumer-Super）。Producer与Consumer的概念太抽象，所以我把它们简化成：Producer对应到参数类型作为方法的形式参数；Consumer对应到参数类型作为方法的返回值，便于理解和记忆。

5. 方法的协变返回类型

Java允许Override方法的返回类型可以是原方法的返回类型的子类。

6. 总结

1. 文章介绍了协变性、逆变性与不变性的定义。
2. 介绍了Java数组的协变、泛型的不变、有界类型的协变与逆变、方法的协变返回类型。
3. 介绍了协变数组导致的静态类型漏洞、有界类型使用时的PECS原则