Java泛型之协变与逆变

Java中的泛型有两个重要特性：不可变性（invariance）和类型擦除（type erasure）。这两个概念在理解和使用泛型时非常重要。以下是对这两个特性的详细解释：

不可变性（Invariance）

在Java泛型中，不可变性意味着泛型类型是严格的，不会自动适应其子类或父类。举个例子：

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List<Number> numberList = new ArrayList<>();
List<Integer> integerList = new ArrayList<>();
numberList = integerList; // 编译错误

上面的代码中，即使Integer是Number的子类，但是List<Integer>并不是List<Number>的子类型。这就是不可变性。你不能将List<Integer>赋值给List<Number>，因为泛型类型是不变的。

为了解决这种问题，Java提供了通配符来处理类型的协变和逆变：

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List<? extends Number> numberList = new ArrayList<>();
List<Integer> integerList = new ArrayList<>();
numberList = integerList; // 允许

使用? extends Number表示可以赋值给任何Number的子类的列表。类似地，? super Integer表示任何Integer的父类的列表。

类型擦除（Type Erasure）

类型擦除是指在编译过程中，Java编译器会移除所有的泛型类型信息。这意味着在运行时，泛型类型的信息是不可用的。

例如：

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List<String> stringList = new ArrayList<>();
stringList.add("hello");
String str = stringList.get(0);

在编译时，stringList的类型是List<String>，但是在运行时，类型信息被擦除，stringList变成了List。编译器在编译时插入了类型转换代码，以确保类型安全：

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String str = (String) stringList.get(0);

类型擦除带来了一些限制，比如你不能在运行时获取泛型类型信息，也不能创建泛型类型的实例或数组：

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List<String>[] listArray = new List<String>[10]; // 编译错误

理解这两个概念对于正确使用Java泛型非常重要。不可变性确保了类型安全性，而类型擦除则是Java泛型实现的一部分，确保与Java旧版本的兼容性。

Java泛型中的逆变（contravariance）指的是允许使用某个泛型类型的超类型来替代该泛型类型。逆变通过通配符 ? super T 实现，表示接受 T 类型或 T 类型的任何超类型。这个概念主要用于写操作，确保我们可以向集合中添加元素。

逆变的示例

假设我们有以下类层次结构：

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

我们定义一个逆变的集合：

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List<? super Dog> animals = new ArrayList<Animal>();

这个声明表示 animals 可以是 Dog 的任何超类型的列表，例如 List<Animal> 或 List<Object>。

使用逆变的场景

逆变主要用于写入的场景，因为你可以确保向集合中添加的元素是 Dog 类型或其子类型。例如：

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animals.add(new Dog()); // 允许
animals.add(new Puppy()); // 允许，假设 Puppy extends Dog

但是，不能从逆变的集合中读取特定类型的元素，因为编译器无法确定从集合中读取的元素的具体类型，只能确定是某种类型的 Object。

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Dog dog = animals.get(0); // 编译错误
Object obj = animals.get(0); // 允许

示例：逆变接口

假设我们设计一个处理动物的接口：

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interface AnimalHandler<T> {
    void handle(T animal);
}

我们可以实现这个接口：

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class DogHandler implements AnimalHandler<Dog> {
    @Override
    public void handle(Dog dog) {
        System.out.println("Handling a dog");
    }
}

利用逆变，我们可以定义一个方法，接受任何类型的 AnimalHandler：

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public class Zoo {
    public static void processAnimal(AnimalHandler<? super Dog> handler, Dog dog) {
        handler.handle(dog);
    }

    public static void main(String[] args) {
        DogHandler dogHandler = new DogHandler();
        Dog dog = new Dog();

        processAnimal(dogHandler, dog); // Handling a dog
    }
}

在这个示例中，processAnimal 方法接受一个 AnimalHandler<? super Dog>，意味着我们可以传入处理 Dog 的任何超类型的处理器，例如 AnimalHandler<Animal> 或 AnimalHandler<Object>。

总结

逆变（? super T）使得我们可以更加灵活地处理泛型集合，特别是在写入操作中。通过使用 ? super T，我们可以向集合中添加 T 类型或其子类型的元素，同时保持类型安全。

理解逆变可以帮助我们设计更灵活和通用的接口和方法，特别是在处理继承层次结构中的类型时。