Kotlin 范型之协变、逆变、不变

一. 前言

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Kotlin 中类和类型是不一样的概念。型变是指类型转换后的继承关系。Kotlin 的型变分为逆变、协变和不变。

二. 协变

如果 A 是 B 的子类型，并且Generic<A> 也是 Generic<B> 的子类型，那么 Generic<T> 可以称之为一个协变类。

2.1Java 上界通配符<? extends T>

Java 的协变通过上界通配符实现。

如果 Dog 是 Animal 的子类，但 List<Dog> 并不是 List<Animal> 的子类。

下面的代码会在编译时报错：

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 List<Animal> animals = new ArrayList<>();
        List<Dog> dogs = new ArrayList<>();
        animals = dogs; // incompatible types

而使用上界通配符之后，List<Dog> 变成了 List<? extends Animal> 的子类型。即 animals 变成了可以放入任何 Animal 及其子类的 List。

因此，下面的代码编译是正确的：

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

2.2 Kotlin 的关键词 out

上述代码改成 Kotlin 的代码：

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fun main() {

    var animals: List<Animal> = ArrayList()
    val dogs = ArrayList<Dog>()
    animals = dogs
}

居然没有编译报错？其实，Kotlin 的 List 跟 Java 的 List 并不一样。

Kotlin 的 List 源码中使用了out，out相当于 Java 上界通配符。

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public interface List<out E> : Collection<E> {

    override val size: Int
    override fun isEmpty(): Boolean
    override fun contains(element: @UnsafeVariance E): Boolean
    override fun iterator(): Iterator<E>

    override fun containsAll(elements: Collection<@UnsafeVariance E>): Boolean

    public operator fun get(index: Int): E

    public fun indexOf(element: @UnsafeVariance E): Int

    public fun lastIndexOf(element: @UnsafeVariance E): Int

    public fun listIterator(): ListIterator<E>

    public fun listIterator(index: Int): ListIterator<E>

    public fun subList(fromIndex: Int, toIndex: Int): List<E>
}

类的参数类型使用了out之后，该参数只能出现在方法的返回类型。

2.3 @UnsafeVariance

但是，Kotlin List 的 contains、containsAll、indexOf 和 lastIndexOf 方法中，入参均出现了范型 E。并且使用 @UnsafeVariance 修饰。

正是由于 @UnsafeVariance 的修饰，打破了刚才的限制，否则会编译报错。

三. 逆变

如果 A 是 B 的子类型，并且 Generic<B> 是 Generic<A> 的子类型，那么 Generic<T> 可以称之为一个逆变类。

3.1.1 Java 下界通配符<? super T>

Java 的逆变通过下界通配符实现。

下面的代码因为是协变的，无法添加新的对象。编译器只能知道类型是 Animal 的子类，并不能确定具体类型是什么，因此无法验证类型的安全性。

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        List<? extends Animal> animals = new ArrayList<>();
        animals.add(new Dog()); // compile error

使用下界通配符之后，代码编译通过：

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

? super Animal 表示 Animal 及其父类。所以 animals 可以接收所有 Animal 的子类添加至该列表中。

Java 的上界通配符和下界通配符符合 PECS 原则。

PECS 原则即 Producer Extends，Consumer Super 。如果参数化类型是一个生产者，则使用 <? extends T>；如果它是一个消费者，则使用 <? super T>。

其中，生产者表示频繁往外读取数据 T，而不从中添加数据。消费者表示只往里插入数据 T，而不读取数据。

3.1.2 Kotlin 的关键词 in

in相当于 Java 下界通配符。

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abstract class Printer<in E> {

    abstract fun print(value: E): Unit
}

class AnimalPrinter: Printer<Animal>() {

    override fun print(animal: Animal) {
        println("this is animal")
    }
}

class DogPrinter : Printer<Dog>() {

    override fun print(dog: Dog) {
        println("this is dog")
    }
}

fun main() {

    val animalPrinter = AnimalPrinter()
    animalPrinter.print(Animal())

    val dogPrinter = DogPrinter()
    dogPrinter.print(Dog())
}

类的参数类型使用了in之后，该参数只能出现在方法的入参。

四. 不变

默认情况下，Kotlin 中的泛型类是不变的。这意味着它们既不是协变的也不是逆变的。

例如 MutableList，它可读可写，泛型没有使用in、out。

五. 总结

本文从 Kotlin 的类、类型引出了型变。介绍了 Kotlin 的协变、协变和不变的概念和特性，以及 Java 的上界通配符、下界通配符。