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Covariance and contravariance

09 September 2020

这里讨论一下Java中的泛型(Generics)，重点说明协变(covariant)和逆变(contravariance)

首先，在Java中，泛型类型是不变（invariant）的，这意味这List<String>并不是List<Object>的子类。并且使用有界通配符（bounded wildcards）可以增加API的灵活性。 为了方便下面讨论，我们这里定义3个有继承关系的类：Animal，Cat，Dog

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class Animal {}
class Cat extends Animal {}
class Dog extends Animal {}

协变(covariant)

首先我们查看一下Collection的addAll的方法签名：

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class Collection<E> {
    boolean addAll(Collection<? extends E> c);
}

将addAll的参数类型定义成Collection<? extends E>而非Collection<E>的好处在于可以让这个方法接受类型为E或E的子类型的Collection，这样极大的增加了API的灵活性，这也是符合逻辑的，比如说我们定义了Collection<Animal>这样一个动物集合，那其实猫集合和狗集合都是可以添加进动物集合的。一个很重要的点是，我们对这样一个带有上边界（extends-bound）的通配符的集合（Collection<? extends Animal>）只能读（read），不能写（write），为什么呢？我们上面说过，addAll支持接受猫集合，狗集合等其他动物集合，那作为一个通用方法，如果我们支持写的话，那我们写（write）什么动物呢？写（write）猫，如果传递进来的是狗集合那就会发生类型不匹配，所以，我们仅仅能从Collection<? extends Animal>知道，这个集合里的元素都是Animal，这是一定不会有问题的，所以对于这样类型的参数，我们只支持读（read）。

这样我们有个清晰的理解：虽然Collection不是Collection的子类型，但Collection是Collection<? extends Animal>的子类型，换句话说，带有上边界的通配符使这个类型发生了协变（the wildcard with an extends-bound (upper bound) makes the type covariant）。

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void covariant(List<? extends Animal> items) {
    Animal first = items.get(0);  
}

逆变(contravariance)

Collection<? super Dog>，这中类型匹配所有泛型类型是Dog及其超类的集合类型，如Collection<Dog>，Collection<Animal>，Collection<Object>。一个很重要的点是，对于发生逆变(contravariance)的类型，我们既可以对其读（read）也可以对其写（write），但是：读（read）的类型是Object，而不是Dog，因为我们并不知具体是Dog，Animal还是Object，我们仅仅知道这些类的共同点，它们有一个共同的超类-Object；写（write）的类型只支持Dog类型，因为我们并不知具体是Dog，Animal还是Object，我们仅仅知道这些类的共同点，它们有一个子类-Dog。

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void contravariance(List<? super Dog> items) {
    items.add(new Dog());
    Object first = items.get(0);  
}

PECS

这是Producer-Extends, Consumer-Super的缩写，表示从生产者里读（协变(covariant)），写入到消费者（逆变(contravariance)）。

Joshua Bloch recommends：For maximum flexibility, use wildcard types on input parameters that represent producers or consumers, and proposes the following mnemonic: PECS

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