java中的协变与逆变

kun234
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java中的协变与逆变

1.定义

1.1 基本概念

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。

1.2 里式替换原则

里氏替换原则的内容可以描述为： “派生类（子类）对象可以在程序中代替其基类（超类）对象。”

1.3 解释

通俗来讲，协变与逆变是描述，类型转换前继承关系和类型转化后继承关系的变化的。 此处的类型转化在java中最常见的就是泛型类。 继承关系最明显的作用就是里式替换，当一个类A可以在程序中代替另一个类B，那么A就是B的子类。

2.java数组

2.1 数组协变

java数组是协变的。即，如果有类型A ≤ B，则数组类型A[]与数组类型B[]之间也有，A[] ≤ B[]。

示例如下：

public class Tmp {
    static class Fruit {
        public void name() {
            System.out.println("fruit");
        }
    }

    static class Apple extends Fruit {
        public void name() {
            System.out.println("apple");
        }
    }

    static class GreenApple extends Apple {
        public void name() {
            System.out.println("green apple");
        }
    }

    @Test
    public void test() {
        Fruit[] fruits = new Apple[10]; // ①
        fruits[0] = new Apple();
        fruits[1] = new Apple();
        fruits[2] = new Fruit(); // ② throw java.lang.ArrayStoreException
    }
}

上面的例子中Apple继承自Fruit，所以数组类型Apple[]也是Fruit[]的子类，所以①处是合法的，编译器不会报错，也可以正常运行。 但是new Apple[10]中只能放入Apple类的元素，所以②处执行时会异常，但是可以正常编译。

2.2 数组协变的原因

如果数组不协变，入参为Fruit[]类型的地方不能传入Apple[]，数组使用的时候会丧失多态的灵活性。 但是多态带来了新的问题，引用类型（Fruit[]）和实际类型（Apple[]）不相同，导致Apple[]可能会被放入Fruit元素。 如果Apple[]数组不管不顾，将Fruit对象接受，那可能导致从Apple[]数组中读取一个非Apple对象的Fruit对象，这是不符合数组定义的（数组（英语：Array），是由相同类型的元素（element）的集合所组成的数据结构）。 所幸的是，数组在接受对象时会做类型检查。所以不会出现上述情况。

综上，数组协变带来了灵活性，又因为类型检查，数组依然是安全的，所以数组设计成了协变的。

3.java泛型

3.1 泛型不变

一般情况下，如果类A ≤ B，那么泛型类T<A>和泛型类T<B>没什么明确的继承关系。

一句话总结，正常情况下泛型是不变的。

如果泛型始终是不变的，那么所有的泛型类之间没有任何继承关系，那泛型类就完全没有多态性，泛型存在的意义也会大幅削弱。 所以java提供了泛型约束符来实现逆变与协变。

3.2 泛型逆变

泛型逆变，即，如果类A ≤ B，那么T<B> ≤ T<A>。 java泛型使用super关键字实现逆变。

public class Tmp {
    static class Fruit {
        public void name() {
            System.out.println("fruit");
        }
    }

    static class Apple extends Fruit {
        public void name() {
            System.out.println("apple");
        }
    }

    static class GreenApple extends Apple {
        public void name() {
            System.out.println("green apple");
        }
    }

    @Test
    public void test1() {
        List<Fruit> fruits = Arrays.asList(new Fruit(), new Fruit(), new Apple());
        eat(fruits); // ① 正常调用

        List<GreenApple> greenApples = Arrays.asList(new GreenApple());
        eat(greenApples); // ② 语法错误
    }

    private void eat(List<? super Apple> list) {
        System.out.println("eat");
    }
}

上例中①处正常调用，说明List<Fruit>是List<? super Apple>的子类，所以使用super关键字可以实现逆变。

3.3 泛型协变

泛型协变，即，如果类A ≤ B，那么T<A> ≤ T<B>。 java泛型使用extends关键字实现协变。

public class Tmp {
    static class Fruit {
        public void name() {
            System.out.println("fruit");
        }
    }

    static class Apple extends Fruit {
        public void name() {
            System.out.println("apple");
        }
    }

    static class GreenApple extends Apple {
        public void name() {
            System.out.println("green apple");
        }
    }

    @Test
    public void test1() {
        List<Fruit> fruits = Arrays.asList(new Fruit(), new Fruit(), new Apple());
        eat(fruits); // ① 语法错误

        List<GreenApple> greenApples = Arrays.asList(new GreenApple());
        eat(greenApples); // ② 正常执行
    }

    private void eat(List<? extends Apple> list) {
        System.out.println("eat");
    }

}

上例中②处正常调用，说明List<GreenApple>是List<? extends Apple>的子类，所以使用extends关键字可以实现协变。

4.总结

本文的重点在于协变与逆变，列举了数组、泛型的例子来说明协变逆变的概念。 泛型化类或者数组，都会带来转化后的类（泛型类或数组）与原始类之间继承关系如何确定的问题。 协变与逆变这一组概念的提出就是为了确定转化后的类的继承关系。 很多语言实现泛型时其实都要考虑这个问题，据我所知C#和kotlin等语言采用了和java类似的方式。

水平有限，难免有错漏之处。有问题请联系我（cxkun992@outlook.com），大家一起讨论。

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