怎么理解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 Listextends 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(); list.add(new Integer(1)); list.add(new Float(1.2f));
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(Iterablesrc){ 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(Collectiondst) { while (!isEmpty()) dst.add(pop()); }
同样地,假设有一个实例化Stack的对象stack,dst为Collection;调用popAll方法是会发生type mismatch错误,因为Collection不是Collection的子类型。因而,应改为:
// Wildcard type for parameter that serves as an E consumer public void popAll(Collection dst) { while (!isEmpty()) dst.add(pop()); }
在上述例子中,在调用pushAll方法时生产了E 实例(produces E instances),在调用popAll方法时dst消费了E 实例(consumes E instances)。Naftalin与Wadler将PECS称为Get and Put Principle。
java.util.Collections的copy方法(JDK1.7)完美地诠释了PECS: public staticvoid copy(List dest, List src) { int srcSize = src.size(); if (srcSize > dest.size()) throw new IndexOutOfBoundsException("Source does not fit in dest"); if (srcSize < COPY_THRESHOLD || (src instanceof RandomAccess && dest instanceof RandomAccess)) { for (int i=0; i<1srcsize; i++)="" dest.set(i,="" src.get(i));="" }="" else="" {="" listiteratordi=dest.listIterator(); ListIterator si=src.listIterator(); for (int i=0; i<1srcsize; i++)="" {="" di.next();="" di.set(si.next());="" }=""
PECS总结:
要从泛型类取数据时,用extends;
要往泛型类写数据时,用super;
既要取又要写,就不用通配符(即extends与super都不用)。
到此,关于“怎么理解Java中的逆变与协变”的学习就结束了,希望能够解决大家的疑惑。理论与实践的搭配能更好的帮助大家学习,快去试试吧!若想继续学习更多相关知识,请继续关注创新互联网站,小编会继续努力为大家带来更多实用的文章!
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