Java 协变与逆变：深入理解与高效使用

简介

在 Java 编程中，协变（Covariance）和逆变（Contravariance）是两个重要的概念，它们涉及到泛型类型系统中类型的兼容性问题。理解这两个概念有助于我们更灵活地处理泛型集合，提高代码的复用性和可维护性。本文将详细介绍 Java 中协变与逆变的基础概念、使用方法、常见实践以及最佳实践，通过清晰的代码示例帮助读者深入掌握这两个概念。

基础概念

协变

协变允许一个类型是另一个类型的子类型，在泛型或数组中，表现为子类型可以安全地赋值给父类型。例如，Integer 是 Number 的子类型，在协变的情况下，List<Integer> 可以在某些情况下被视为 List<? extends Number>。

逆变

逆变与协变相反，它允许一个类型是另一个类型的超类型。在泛型中，通过下界通配符实现，例如 List<? super Integer> 可以接受 List<Number> 或 List<Object> 等。

不变性

Java 泛型默认是不变的，即 List<Integer> 不能直接赋值给 List<Number>，即使 Integer 是 Number 的子类型。这是为了保证类型安全。

使用方法

数组的协变

Java 数组是协变的，这意味着可以将一个子类型数组赋值给一个父类型数组。

Integer[] intArray = new Integer[5];
Number[] numArray = intArray; // 数组的协变

但是需要注意，数组的协变可能会导致运行时异常：

Integer[] intArray = new Integer[5];
Number[] numArray = intArray;
numArray[0] = 3.14; // 运行时抛出 ArrayStoreException

泛型的通配符

上界通配符（协变）

上界通配符 <? extends T> 用于实现协变，它表示泛型类型是 T 或 T 的子类型。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}

public class CovarianceExample {
    public static void printFruits(List<? extends Fruit> fruits) {
        for (Fruit fruit : fruits) {
            System.out.println(fruit);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Apple> apples = new ArrayList<>();
        apples.add(new Apple());
        printFruits(apples); // 可以传递 List<Apple>
    }
}

下界通配符（逆变）

下界通配符 <? super T> 用于实现逆变，它表示泛型类型是 T 或 T 的超类型。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}

public class ContravarianceExample {
    public static void addApple(List<? super Apple> apples) {
        apples.add(new Apple());
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Fruit> fruitList = new ArrayList<>();
        addApple(fruitList); // 可以传递 List<Fruit>
    }
}

常见实践

协变的实践

协变常用于读取数据，当只需要从泛型集合中读取数据时，可以使用上界通配符。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

class Animal {}
class Dog extends Animal {}

public class CovariancePractice {
    public static double sumAnimalsHeights(List<? extends Animal> animals) {
        // 这里可以安全地读取 Animal 对象
        return 0.0; // 示例代码，实际可以实现具体逻辑
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Dog> dogs = new ArrayList<>();
        sumAnimalsHeights(dogs);
    }
}

逆变的实践

逆变常用于写入数据，当需要向泛型集合中写入数据时，可以使用下界通配符。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

class Animal {}
class Dog extends Animal {}

public class ContravariancePractice {
    public static void addDog(List<? super Dog> animalList) {
        animalList.add(new Dog());
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Animal> animalList = new ArrayList<>();
        addDog(animalList);
    }
}

最佳实践

何时使用协变

当方法只需要从泛型集合中读取数据，而不需要写入数据时，使用上界通配符（协变）。这样可以提高代码的灵活性，允许传递更具体的子类型集合。

何时使用逆变

当方法只需要向泛型集合中写入数据，而不需要读取数据时，使用下界通配符（逆变）。这样可以接受更通用的超类型集合。

小结

Java 中的协变和逆变是处理泛型类型兼容性的重要概念。数组的协变虽然方便，但可能会导致运行时异常。泛型的通配符（上界和下界）为我们提供了更安全和灵活的方式来实现协变和逆变。通过合理使用协变和逆变，可以提高代码的复用性和可维护性，同时保证类型安全。在实际开发中，根据方法是读取还是写入数据来选择合适的通配符。

参考资料

《Effective Java》
Java 官方文档

通过以上内容，读者应该对 Java 中的协变和逆变有了更深入的理解，并能够在实际编程中高效使用它们。