良许Linux教程网 干货合集 详解java中的逆变与协变

详解java中的逆变与协变

java中协变跟逆变是对泛型类的继承关系的表述,下面为大家详细讲解一下java中的逆变与协变。

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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)); //correct
Number result = method(new Object()); //error
Integer 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 List extends 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

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 src)方法,将src的元素逐一入栈:

public void pushAll(Iterable src){
   for(E e : src)
       push(e)
}

假设有一个实例化Stack的对象stack,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 producer
public void pushAll(Iterable src) {
   for (E e : 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(Collection dst) {
   while (!isEmpty())
       dst.add(pop());  
}

同样地,假设有一个实例化Stack的对象stack,dst为Collection

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良许

作者: 良许

良许,世界500强企业Linux开发工程师,公众号【良许Linux】的作者,全网拥有超30W粉丝。个人标签:创业者,CSDN学院讲师,副业达人,流量玩家,摄影爱好者。
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