Java的协变，逆变与不变

发表于 2020-03-08 更新于 2020-12-30 分类于 Java 泛型， Java 阅读次数： Disqus：

public class InvariantExample {
    static class Number { }
    static class Integer extends Number { }

    public static Number max(List<Number> list) {
        // 省略实现细节
    }

    public static void main(String[] args) {
        final List<Integer> integerList = new ArrayList<>();
        final Number max = max(integerList); // 编译错误 incompatible types
    }
}

但是编译器告诉我们incompatible types错误，这里max方法期待一个List<Number>类作为输入，但是实际上获得的是List<Integer>类。这就告诉我们，即便Integer是Number的子类，编译器也认为List<Integer>类和List<Number>类是没有关系的。

结论：对于任意两个不同的类型Type1 和 Type2，不论它们之间具有什么关系，List<Type1> 和 List<Type2>都是没有关系的。

如果我们把上述结论推广，可以得到更一般性的结论

对于任意两个不同的类型Type1 和 Type2，不论它们之间具有什么关系，给定泛型类 G<T>， G<Type1> 和 G<Type2>都是没有关系的。

上面的结论可以用一句话概括：

Java的泛型是不可变的（Invariant）

协变，逆变与不变的定义

在一门程序设计语言的类型系统中，给定

<= 和>=，表示类型排序关系
- Type1<=Type2表示Type1是 Type2的子类型
- Type1>=Type2表示Type1是 Type2的超类型
f() 表示一个类型的构造函数
- 注意它可以是一元函数（接受一个参数），如NewType = f(Type)
- 也可以是多元函数（接受多个参数），如NewType = f(Type1, Type2)

那么，对于任意两个不同的类型Type1 和 Type2, 这个类型的构造函数f()可以是

变型（Variance）	定义	例子
协变的（covariant）	当且仅当它保持了类型排序关系	如果`Type1<=Type2`，那么`f(Type1)<=f(Type2)`
逆变的（contravariant）	当且仅当它逆转了类型排序关系	如果`Type1<=Type2`，那么`f(Type1)>=f(Type2)`
不变的（invariant or nonvariant）	既不保持也不逆转类型排序关系	不论`Type1` 和 `Type2`的关系，`f(Type1)` 和`f(Type2)` 没有关系

以上定义来自 Covariance and contravariance, Wikipedia，其中还有双变的（bivariant），但是不在本文的讨论范围，顾略去

在 C#中，子类型也称为派生类（Derived class），超类型也称为基类（Base class）

不同的程序设计语言，需要在类型推断的安全性和语法的易用性上做出权衡，对不同的类型构造函数进行规约，以使其符合某一种变型（Variance）。
不同的程序设计语言，在支持变型时，也有不同的处理方式。例如C#只允许在接口类型上标记变型,，而Java则在通过通配符来支持变型。

Java上限通配符实现协变

继续最初的例子，Integer是Number的子类，怎么样才能让Number max(List<Number> list)max方法也接受List<Integer>呢？（这里List<T>是类型构造函数，List<Integer> 和 List<Number> 两个新的类型）虽然在Java中，泛型是不可变的（List<Integer> 和 List<Number>没有关系），但是Java可以通过使用上限通配符来实现协变。

修改后的max方法签名如下

1	public static Number max(List<? extends Number> list)

? extends Number 表示接受Number类型和Number类型的子类型。这样max方法能够接受比原始指定的类型（这里是Number类型）更具体的类型。

Java下限通配符实现逆变

思考下面的例子，Integer是Number的子类，方法generateIntegers生成List<Integer> 并放入到输入参数output中

public class ContravariantExample {
    static class Number { }
    static class Integer extends Number { }

    public static void generateIntegers(List<? super Integer> output) {
         // 省略实现细节
    }

    public static void main(String[] args) {
        final List<Number> numberList = new ArrayList<>();
        generateIntegers(numberList); // 编译错误 incompatible types
    }
}

由于Java泛型的不可变性，generateIntegers() 生成的List<Integer>不能放到输入参数output指定的List<Number>中。那么有没有办法把 List<Integer> 放到List<Number>中呢？

这里使用下限通配符来实现逆变。

修改后的generateIntegers函数签名如下

1	public static void generateIntegers(List<? super Integer> output)

<? super Integer 表示接受Integer类型和Integer类型的超类型。这样generateIntegers方法就能接受比原始指定类型（这里是Integer类型）更泛化（更不具体）的类型。

总结

如果Integer类是Number类的子类型

变型（Variance）	通配符	例子
协变的（covariant）	上限通配符 `? extends T`	`List<? extends Number>` 接受比原始指定类型`Number`更具体的类型
逆变的（contravariant）	下限通配符 `? super T`	`List<? super Integer>` 接受比原始指定类型`Integer`更泛化的类型
不变的（invariant or nonvariant）	泛型默认不可变	`List<Integer>` 和`List<Number>` 没关系

Covariance and contravariance, Wikipedia
泛型中的协变和逆变, Microsoft .NET指南
Effective Java 3rd Edition，Joshua Bloch

Coding Note

Java的协变，逆变与不变

目录

协变，逆变与不变的定义

Java上限通配符实现协变

Java下限通配符实现逆变

总结