Java中數組協變和范型不變性的示例分析

這篇文章將為大家詳細講解有關Java中數組協變和范型不變性的示例分析，小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

一、協變、不變、逆變

假設，我為一家餐館寫了這樣一段代碼

class Soup<T> {
 public void add(T t) {}
}

class Vegetable { }

class Carrot extends Vegetable { }

有一個范型類Soup<T>，表示用食材T做的湯，它的方法add(T t)表示向湯中添加食材T。類Vegetable表示蔬菜，類Carrot表示胡蘿卜。當然，Carrot是Vegetable的子類。

那么問題來了，Soup<Vegetable>和Soup<Carrot>之間是什么關系呢？

第一反應，Soup<Carrot>應該是Soup<Vegetable>的子類，因為胡蘿卜湯顯然是一種蔬菜湯。如果真是這樣，那就看看下面的代碼。其中Tomato表示西紅柿，是Vegetable的另一個子類

Soup<Vegetable> soup = new Soup<Carrot>();
soup.add(new Tomato());

第一句沒問題，Soup<Carrot>是Soup<Vegetable>的子類，所以可以將Soup<Carrot>的實例賦給變量soup。第二句也沒問題，因為soup聲明為Soup<Vegetable>類型，它的add方法接收一個Vegetable類型的參數，而Tomato是Vegetable，類型正確。

但是，兩句放在一起卻有了問題。soup的實際類型是Soup<Carrot>，而我們給它的add方法傳遞了一個Tomato的實例！換言之，我們在用西紅柿做胡蘿卜湯，肯定做不出來。所以，把Soup<Carrot>視為Soup<Vegetable>的子類在邏輯上雖然是通順的，在使用過程中卻是有缺陷的。

那么，Soup<Carrot>和Soup<Vegetable>究竟應該是什么關系呢？不同的語言有不同的理解和實現。總結起來，有三種情況。

（1）如果Soup<Carrot>是Soup<Vegetable>的子類，則稱泛型Soup<T>是協變的

（2）如果Soup<Carrot>和Soup<Vegetable>是無關的兩個類，則稱泛型Soup<T>是不變的

（3）如果Soup<Carrot>是Soup<Vegetable>的父類，則稱泛型Soup<T>是逆變的。（不過逆變不常見）

理解了協變、不變和逆變的概念，再看Java的實現。Java的一般泛型是不變的，也就是說Soup<Vegetable>和Soup<Carrot>是毫無關系的兩個類，不能將一個類的實例賦值給另一個類的變量。所以，上面那段用西紅柿做胡蘿卜湯的代碼，其實根本無法通過編譯。

二、數組協變

Java中，數組是基本類型，不是泛型，不存在Array<T>這樣的東西。但它和泛型很像，都是用另一個類型構建的類型。所以，數組也是要考慮變性的。

與泛型的不變性不同，Java的數組是協變的。也就是說，Carrot[]是Vegetable[]的子類。而上一節中的例子已經表明，協變有時會引發問題。比如下面這段代碼

Vegetable[] vegetables = new Carrot[10];
vegetables[0] = new Tomato(); // 運行期錯誤

因為數組是協變的，編譯器允許把Carrot[10]賦值給Vegetable[]類型的變量，所以這段代碼可以順利通過編譯。只有在運行期，JVM真的試圖往一堆胡蘿卜中插入一個西紅柿的時候，才發現大事不好。所以，上面的代碼在運行期會拋出一個java.lang.ArrayStoreException類型的異常。

數組協變性，是Java的著名歷史包袱之一。使用數組時，千萬要小心！

如果把例子中的數組替換為List，情況就不同了。就像這樣

ArrayList<Vegetable> vegetables = new ArrayList<Carrot>(); // 編譯期錯誤
vegetables.add(new Tomato());

ArrayList是一個泛型類，它是不變的。所以，ArrayList<Carrot>和ArrayList<Vegetable>之間并無繼承關系，這段代碼在編譯期就會報錯。

兩段代碼雖然都會報錯，但通常情況下，編譯期錯誤總比運行期錯誤好處理一些。

三、當泛型也想要協變、逆變

泛型是不變的，但某些場景里我們還是希望它能協變起來。比如，有一個天天喝蔬菜湯減肥的小姐姐

class Girl {
 public void drink(Soup<Vegetable> soup) {}
}

我們希望drink方法可以接受各種不同的蔬菜湯，包括Soup<Carrot>和Soup<Tomato>。但受到不變性的限制，它們無法作為drink的參數。

要實現這一點，應該采用一種類似于協變性的寫法

public void drink(Soup<? extends Vegetable> soup) {}

意思是，參數soup的類型是泛型類Soup<T>，而T是Vegetable的子類（也包括Vegetable自己）。這時，小姐姐終于可以愉快地喝上胡蘿卜湯和西紅柿湯了。

但是，這種方法有一個限制。編譯器只知道泛型參數是Vegetable的子類，卻不知道它具體是什么。所以，所有非null的泛型類型參數均被視為不安全的。說起來很拗口，其實很簡單。直接上代碼

public void drink(Soup<? extends Vegetable> soup) {
 soup.add(new Tomato()); // 錯誤
 soup.add(null); // 正確
}

方法內的第一句會在編譯期報錯。因為編譯器只知道add方法的參數是Vegetable的子類，卻不知道它具體是Carrot、Tomato、或者其他的什么類型。這時，傳遞一個具體類型的實例一律被視為不安全的。即使soup真的是Soup<Tomato>類型也不行，因為soup的具體類型信息是在運行期才能知道的，編譯期并不知道。

但是方法內的第二句是正確的。因為參數是null，它可以是任何合法的類型。編譯器認為它是安全的。

同樣，也有一種類似于逆變的方法

public void drink(Soup<? super Vegetable> soup) {}

這時，Soup<T>中的T必須是Vegetable的父類。

這種情況就不存在上面的限制了，下面的代碼毫無問題

public void drink(Soup<? super Vegetable> soup) {
 soup.add(new Tomato());
}

Tomato是Vegetable的子類，自然也是Vegetable父類的子類。所以，編譯期就可以確定類型是安全的。

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