java泛型逆变与协变-泛型的协变和逆变

上图中，行1中定义了一个泛型类 GenericType，其类型变量是T、 S extends List & Serializable，S 有 List 和 Serializable 这两个类型上界，即 S 必须是这两个接口的实现类，编译后 S 擦除为第一个参数类型，即 List。行 2 定义了一个构造方法，其使用了类型参数 T、S，并引入了新的类型参数 U，注意如果范型参数未在类范围定义过，需要在方法名前添加声明，因此构造方法前需添加。行 4～6 定义了一个 consumeNumber 方法，该方法新增一个类型参数 Njava泛型逆变与协变，继承自 Number，参数列表中包括一个 List 对象 numbers ，下界为 Number。该方法的一个调用示例见图 5-4：

图 5-4 GenericType 类调用示例

consumeNumber 调用中，第一个参数是 Long 类型，而 Long 是 Number 的子类；参数 2 是泛型类 Class，泛型变量是ArrayList；参数 3 是一个 ArrayList，默认类型变量是 Object，Object 是 Number 的超类，因此方法调用说合法的。

类型擦除

上文已经提到 Java 采用类型擦除实现泛型，相比 C# 在运行时，生成泛型对应的类型，类型擦除产生的字节码只包含非泛型化的类，接口和方法，从而保证运行时无需添加新的类型，减少运行时负载，并保证旧版本的二进制兼容性；然后这样也会带来一个和多态之间的冲突，参见图 6-1：

图 6-1 类型擦除与多态

首先，父类的类型变量，子类都需要继承，同时，子类可以添加自己的类型变量，再次子类有泛型参数，父类可以没有。

例子中，Child 继承了带有日期 Date 的类型参数的泛型类 Parent。如果不带类型变量，这样定义子类：public static class Child extends Parent{...}，Child 会自动继承父类的类型变量，由于类型擦除，子类的 get/set 操作的都是 Object 对象。

另外，子类可以添加自己的泛型参数，见行 10，Child 添加了一个类型变量 Date，注意这里 Date 是一个类型变量名称，和日期类没任何关系。因为类型变量的名称和 Date 类名相同，因此在创建日期类型的对象时，需要带上完整的包名、类名，以区别是类型变量还是日期类。

重点看行 12、17。这里的 Override 都不是真正的重写。对于 get 方法，父类返回的是 Object，子类返回 Date，子类的适用场景更广，发生了协变（covariance，什么是协变后面再详细介绍），即方法的返回值是协变的，符合里氏替换原则（Liskov Substitution Principle），也就是 OOP 里的重写，暂时没有问题；那么再看 set 方法，父类中参数类型是 Object，子类为 Date，这个在不使用泛型时，事实上是重载，编译器并不会提示添加 Override 注解，允许它们共存，但在使用泛型时，编译器会提示添加 Override，也就是说编译器认为它就是重写。编译器到底做了什么？我们看下该类的字节码，见图 6-2：

图6-2 桥方法

在 Child 类中，除了行 10、16，行 22、29 分别增加一个 get 和 set 方法，返回值和入参类型都是 Object，这两个方法就是编译器自动生成的桥方法java泛型逆变与协变，编译器为解决类型擦除对多态的影响，自动在字节码中添加的两个方法。对于 get 方法，由于只有返回值不同时，编译器会认为是重复方法（Java 语法中两个只有返回值不同，不是重载，编译器会认为是重复定义的方法），但对于 JVM 来讲，只要参数列表和返回值有一个不同即认为是不同方法，所以运行时没问题。由此可见，子类中真正覆盖父类的是桥方法，由桥方法再去调用子类方法，参见行 27、32，因此桥方法起到了代理的作用。

尽管桥方法能解决由于类型擦除导致多态冲突的问题，但避免不了堆污染（Heap pollution）。所谓堆污染是指泛型的类型参数指向了与其类型不匹配的变量，编译时会有 unchecked warning 信息，运行时抛出 ClassCastException 。例如图 6-1 中的行 35，parent 指向一个 child 对象，child 的 data 类型是 Date，而 parent 声明时是 raw type，因此 data 类型为 Object，所以可以 setData 一个字符串，在编译时有一个告警信息，参见 6-3，运行时导致 ClassCastException 。通常在编译时，我们需求检查这一类告警信息，确保运行时正常，关键是要注意原始类型对泛型对象的引用。

图 6-3 heap pollution

协变（Covariance）和逆变（Contravariance）

泛型是与 OOP 强关联的技术，而协变和逆变也是关于继承关系的理论，因此两者在很多方面是贯通的。

上文提到了里氏替换原则，它指出如果一个类型 S 是类型 T 的子类，那么程序中任何 T 的对象出现的地方都可以用 S 的对象来替换，因为 S 的对象包含了 T 的对象的所有信息。这里的类型不一定就是类，也可以是接口、函数或方法 。里氏替换原则是协变和逆变的基础，如果有人说的“协变”或“逆变”违反了里氏原则，那肯定是错误的推断。

首先，协变和逆变这两个概念在数学和物理界已经应用很广泛，它强调的是当变量发生变化时，所研究对象变化的方向与该变量变化的方向是否一致，如果一致就是协变，否则就是逆变。例如函数，当我们改变自变量，使得，则，此时，取任意自变量的值，变化后的值都比对应的旧值减小了 1，因此与的变化方向是相反的，它们之间的关系就是逆变。同理，当我们改变，使得，那么与的变化方向一致，它们之间就是协变。

回到编程语言领域。假设有 P、C 两个类，C 继承自 P，在 P 出现的地方，都可用 C 来替换，即 C 的适用范围更广，我们可以用来表示这种继承关系，因为在树型结构中，P 在 C 的上方（当然也可以用表示，因为 C 的应用范围广，但大家都习惯用来表示继承关系）。

假设有两个函数，在出现的地方可代替它。因为出现的地方肯定存在可替换，因此可得上述结论，反之则不然。与类的继承关系相似，我们可以说是的子类，即。由此得出，函数和其参数之间的关系是逆变，即如果两个类存在继承关系，则以这两个类为参数的函数之间存在相反的继承关系。 上述考察的是以 P，C 作为参数的函数的变化，我们再来分析以 P，C 作为响应的函数之间的关系。假设是两个以 P，C 为返回值的函数，在出现的地方，可用替换，因为会生成，而可以替换。反之则不成立，因此可以说是的子类，即。可见，返回值和函数之间是协变关系。

Java 中数组是协变的。如果 S 是 T 的子类，那么S[]也是T[]的子类，S[]可赋值给T[]，并且T[]可添加 S 类型元素。例如Interger[]是Number[]的子类。因为数组在运行时类型是可识别的 。而泛型由于类型擦除，没有协变关系。例如List不是List的子类，因为它们都是List类型。如果不支持协变和逆变，那么泛型的功能就大打折扣，因此 Java 引入了通配符以支持这种复杂结构的变换关系。

通配符

Java 利用通配符实现了泛型的协变和逆变，通配符用?号表示，代表未知类型。 代表 Type 及其所有子类型，又叫上界通配符； 代表 Type 及其所有父类型，又叫下界通配符。因为上界通配符代表的泛型可以加入父类及所有子类，因此是协变的；同理，下界通配符是逆变的。

Java 中不能用于定义泛型的类型变量，即它不能出现在类和方法的类型参数声明中，例如都是非法的。这是因为使用一个类的超类作为类型变量和使用 Object 作为类型变量作用相同，基本上没什么价值。

通配符的使用需遵循PECS原则，即producer extends and consumer super，也称为get and put principle，在读的情况下用 extends，写时用 super，如果即想读，又想写，就不要用泛型。一个使用 extends 上界限定符只读数据的例子见图 8-1：

图 8-1 只读泛型

图中行 1 定义的 sum 方法的参数 ns 是一个包含 Number 或其子类元素的 Collection 泛型，用来计算所有元素的和。ns 事实上是一种 in 类型（除了 in 类型还有 out，in/out 类型，熟悉 C# 的程序员会比较熟悉这种概念）的参数，只能用于读取 ns 中的数据。 因为 Integer、Double 都是其子类，所以行 11、13、15 分别定义的 ints、dobles、nums 都可以传入 sum 方法。行 5 注释的代码说明带有上界通配符的泛型容器除了 null，任何元素都不允许插入。同时，这个例子也演示了基于泛型实现的算法变得更通用了。一个使用 super 下界限定符约束只写数据的例子见图 8-2：

图 8-2 只写泛型

上图行 1 定义的 insert 方法实现往 out 型参数 ns 中插入整数。ns 是一个 Collection 泛型，类型变量是 Integer 或其超类。因此行 9、10 定义的 ints、nums 可以传入该方法。在 insert 方法中并不会读取 ns 的内容，即使读取也只能返回 Object 类型的元素。再看一个同时带有 in、out 参数的例子如 8-3 所示：

图 8-3 同时带有读、写型参数的方法

上图行 1 定义的 copy 方法是 JDK 里 Collections 中的方法，它从 src 容器 copy 元素到 dest；src 为 T 或 T 子类元素的 List，因为需要读取 src 中元素，所以使用上界限定符；dest 是 T 或其超类的 List，因为需要往里写入元素，所以使用下界限定符。行 6～7 说明程序从 src 读取元素写入到 dest 中，因为 dest 中元素类型是 src 中元素类型的超类，超类可被子类替换，所以符合里氏原则，行 12～15 给出了调用 copy 方法的几个例子。

从协变、逆变一节可知，子类比父类适用范围更广，因为父类出现的地方，子类都可以出现，反之，父类比子类适用范围更窄，要求更严格，所以 PECS 原则也可以说是“严于律己 宽以待人”9，已就是指返回值，要写入的数据，人是指入参，要读取的数据。

泛型在函数式编程中的应用

JDK8 支持函数式编程（FP，functional programming，FP 是 declarative programming 的一种），Oracle 此举把 FP 融入了 Java 这样一种命令式编程语言（imperative programming）中。虽然目前 Java 中的 FP 不是纯粹的 FP（pure FP），但它为 Java 注入了新的编程风格，新的编程思路，新的编程框架。

命令式编程语言包括过程式编程语言（Procedure programming）和面向对象编程语言（Object oriented programming），它们关注如何解决问题，而 FP 关注如何描述问题，问题描述清楚了，问题也就解决了。使用命令式编程语言，程序的逻辑由一条条语句，一个个方法，对象以及它们之间的调用、共享数据来完成， 程序流程分支庞杂，测试困难，分支覆盖不全，很容易就导致程序崩溃，异常处理不当，也会埋藏隐患。JDK8 支持 FP 的代码主要位于 java.util.function 包，FP 的编程思想及思维习惯和 OOP 差别很大，一个程序员在实际代码中使用过 FP 并不代表其熟悉 FP 的思想，由于本文主要讨论的是泛型，因此回归主题，重点讨论一下 java.util.function 包中一些泛型的使用。

FP中，纯粹的函数可以看作一个黑盒子，相同的输入必定产生相同的输出，不会有副作用，即不受 context 影响，或影响 context。高阶函数（higher-order functions）是 FP 重要的特征，所谓高阶函数是指满足一个或多个函数作为入参，或返回结果是一个函数的函数，例如图 9-1 所示：

图 9-1 高阶函数

上图中行 2 声明的 Function 是 JDK 中的函数接口，该接口代表了所有的有一个入参，一个出参的方法；T 表示入参，R 为出参。compose 是该接口中的一个 default 方法，它的入参和出参都是一个函数，因此它是一个高阶函数。根据行 2 和行 6 可知该高阶函数（内层函数和外层函数组合后的函数）的功能为输入一个 V 类型的参数，输出一个 R 类型的值。内层函数 before 接收 V 或其超类，输出 T 类型或其子类，参见行 4，从 before 函数的声明可看到泛型 PECS 原则的应用：输入使用 super 下界，返回使用 extends 上界。外层函数的入参为 T，正是 before 的输出 T 类型或其子类，符号里氏原则，外层函数的输出 R 就是高阶组合函数的输出。

总之，针对 Java 中的 FP 函数定义，运用上文提到的泛型的语法与语义的解析就轻松地理解。