kotlin 协变逆变 - 猫和鱼的故事

Posted 2023-02-02 码农 小生

网上找的一段协变、逆变比较正式的定义：

逆变与协变用来描述类型转换后的继承关系，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）： 当 A ≦ B 时,如果有 f(A) ≦ f(B) ,那么 f 是协变的； 当 A ≦ B 时,如果有 f(B) ≦ f(A) ,那么 f 是逆变的； 如果上面两种关系都不成立，即 (A) 与 f(B) 相互之间没有继承关系，则叫做不变的。

java 中可以通过如下泛型通配符以支持协变和逆变：

• ? extends 来使泛型支持协变。修饰的泛型集合只能读取不能修改，这里的修改仅指对泛型集合添加元素，如果是 remove(int index) 以及 clear 当然是可以的。
• ? super 来使泛型支持逆变。修饰的泛型集合只能修改不能读取，这里说的不能读取是指不能按照泛型类型读取，你如果按照 Object 读出来再强转当然也是可以的。

以动物举例，看代码。

abstract class Animal 
    void eat() 
        System.out.println("我是" + myName() + ", 我最喜欢吃" + myFavoriteFood());
    

    abstract String myName();

    abstract String myFavoriteFood();


class Fish extends Animal 

    @Override
    String myName() 
        return "鱼";
    

    @Override
    String myFavoriteFood() 
        return "虾米";
    


class Cat extends Animal 

    @Override
    String myName() 
        return "猫";
    

    @Override
    String myFavoriteFood() 
        return "小鱼干";
    


public static void extendsFun() 
    List<Fish> fishList = new ArrayList<>();
    fishList.add(new Fish());
    List<Cat> catList = new ArrayList<>();
    catList.add(new Cat());
    List<? extends Animal> animals1 = fishList;
    List<? extends Animal> animals2 = catList;

    animals2.add(new Fish()); // 报错
    Animal animal1 = animals1.get(0);
    Animal animal2 = animals2.get(0);
    animal1.eat();
    animal2.eat();


//输出结果：
我是鱼, 我最喜欢吃虾米
我是猫, 我最喜欢吃小鱼干

协变就好比有多个集合，每个集合存储的是某中特定动物（extends Animal），但是不告诉你那个集合里存储的是鱼，哪个是猫。所以你虽然可以从任意一个集合中读取一个动物信息，没有问题，但是你没办法将一条鱼的信息存储到鱼的集合里，因为仅从变量 animals1、animals2 的类型声明上来看你不知道哪个集合里存储的是鱼，哪个集合里是猫。 假如报错的代码不报错了，那不就说明把一条鱼塞进了一堆猫里，这属于给猫加菜啊，所以肯定是不行的。? extends 类型通配符所表达的协变就是这个意思。

那逆变是什么意思呢？还是以上面的动物举例：

public static void superFun() 
    List<Fish> fishList = new ArrayList<>();
    fishList.add(new Fish());
    List<Animal> animalList = new ArrayList<>();
    animalList.add(new Cat());
    animalList.add(new Fish());
    List<? super Fish> fish1 = fishList;
    List<? super Fish> fish2 = animalList;

    fish1.add(new Fish());
    Fish fish = fish2.get(0); //报错

从变量 fish1、fish2 的类型声明上只能知道里面存储的都是鱼的父类，如果这里也不报错的话可就从 fish2 的集合里拿出一只猫赋值给一条鱼了，这属于谋杀亲鱼。所以肯定也是不行。? super 类型通配符所表达的逆变就是这个意思。

kotlin 中对于协变和逆变也提供了两个修饰符：

• out：声明协变；
• in：声明逆变。

它们有两种使用方式：

• 第一种：和 java 一样在使用处声明；
• 第二种：在类或接口的定义处声明。

当和 java 一样在使用处声明时，将上面 java 示例转换为 kotlin：

fun extendsFun() 
    val fishList: MutableList<Fish> = ArrayList()
    fishList.add(Fish())
    val catList: MutableList<Cat> = ArrayList()
    catList.add(Cat())
    val animals1: MutableList<out Animal> = fishList
    val animals2: MutableList<out Animal> = catList
    animals2.add(Fish()) // 报错
    val animal1 = animals1[0]
    val animal2 = animals2[0]
    animal1.eat()
    animal2.eat()


fun superFun() 
    val fishList: MutableList<Fish> = ArrayList()
    fishList.add(Fish())
    val animalList: MutableList<Animal> = ArrayList()
    animalList.add(Cat())
    animalList.add(Fish())
    val fish1: MutableList<in Fish> = fishList
    val fish2: MutableList<in Fish> = animalList
    fish1.add(Fish())
    val fish: Fish = fish2[0] //报错

可以看到在 kotlin 代码中除了将 ? extends 替换为了 out，将 ? super 替换为了 in，其他地方并没有发生变化，而产生的结果是一样的。那在类或接口的定义处声明 in、out 的作用是什么呢。

假设有一个泛型接口 Source<T>，该接口中不存在任何以 T 作为参数的方法，只是方法返回 T 类型值：

// Java
interface Source<T> 
  T nextT();

那么，在 Source <Object> 类型的变量中存储 Source <String> 实例的引用是极为安全的——没有消费者-方法可以调用。但是 Java 并不知道这一点，并且仍然禁止这样操作：

// Java
void demo(Source<String> strs) 
  Source<Object> objects = strs; // ！！！在 Java 中不允许
  // ……

为了修正这一点，我们必须声明对象的类型为 Source<? extends Object>，但这样的方式很复杂。而在 kotlin 中有一种简单的方式向编译器解释这种情况。我们可以标注 Source 的类型参数 T 来确保它仅从 Source<T> 成员中返回（生产），并从不被消费。为此我们使用 out 修饰符修饰泛型 T：

interface Source<out T> 
    fun nextT(): T


fun demo(strs: Source<String>) 
    val objects: Source<Any> = strs // 这个没问题，因为 T 是一个 out-参数
    // ……

还记得开篇协变的定义吗？

当 A ≦ B 时,如果有 f(A) ≦ f(B) ,那么 f 是协变的； 当 A ≦ B 时,如果有 f(B) ≦ f(A) ,那么 f 是逆变的；

也就是说：

当一个类 C 的类型参数 T 被声明为 out 时，那么就意味着类 C 在参数 T 上是协变的；参数 T 只能出现在类 C 的输出位置，不能出现在类 C 的输入位置。

同样的，对于 in 修饰符来说

当一个类 C 的类型参数 T 被声明为 in 时，那么就意味着类 C 在参数 T 上是逆变的；参数 T 只能出现在类 C 的输如位置，不能出现在类 C 的输出位置。

interface Comparable<in T> 
    operator fun compareTo(other: T): Int


fun demo(x: Comparable<Number>) 
    x.compareTo(1.0) // 1.0 拥有类型 Double，它是 Number 的子类型
    // 因此，我们可以将 x 赋给类型为 Comparable <Double> 的变量
    val y: Comparable<Double> = x // OK！

总结如下表：

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