Java泛型中的PECS原则

Posted 2022-04-26 薛瑄

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先来看一个错误：

List<? extends Foo> list1 = new ArrayList<Foo>();
List<? extends Foo> list2 = new ArrayList<Foo>();

 /* Won't compile */
 list2.add( new Foo() ); //error 1
 list1.addAll(list2);    //error 2 

error 1:

IntelliJ says:

add(capture<? extends Foo>) in List cannot be applied to add(Foo)

The compiler says:

cannot find symbol
symbol  : method addAll(java.util.List<capture#692 of ? extends Foo>)
location: interface java.util.List<capture#128 of ? extends Foo>

error 2:

IntelliJ gives me

addAll(java.util.Collection<? extends capture<? extends Foo>>) in List cannot be applied to addAll(java.util.List<capture<? extends Foo>>)

Whereas the compiler just says

cannot find symbol
symbol  : method addAll(java.util.List<capture#692 of ? extends Foo>)
location: interface java.util.List<capture#128 of ? extends Foo>
        list1.addAll(list2);

下面会一步一步，逐步推导出，为什么会出现上面的错误，以及背后的原因

PECS法则

Apple 是Fruit 的子类，但是 List< Apple> 不是List< Fruit>的子类，那么有没有办法能让他两兼容使用呢？答案是：有，那就是型变和逆变。

主要是 extends 和 super 关键字。比如：

型变

HashMap< T extends String>;
HashMap< ? extends String>;

逆变

HashMap< T super String>;
HashMap< ? super String>;

这是Java泛型中重要的PECS法则

协变 < ? extends T>

类型的上界是 T，参数化类型可能是 T 或 T 的子类：

public class Test 
    static class Food 
    static class Fruit extends Food 
    static class Apple extends Fruit 

    public static void main(String[] args) throws IOException 
        List<? extends Fruit> fruits = new ArrayList<>();
        //不能加入任何元素
        fruits.add(new Food());     // compile error
        fruits.add(new Fruit());    // compile error
        fruits.add(new Apple());    // compile error
        
		//集合元素的类型，符合extends Fruit，可赋值给 变量fruits
		fruits = new ArrayList<Food>(); // compile error
        fruits = new ArrayList<Fruit>(); // compile success
        fruits = new ArrayList<Apple>(); // compile success  注1
        fruits.add(new Apple());   // compile error 注2 


        fruits = new ArrayList<? extends Fruit>(); // 在java中会出现 compile error: 通配符类型无法实例化  

        Fruit object = fruits.get(0);    // compile success
    

如上的注1和注2 ，两条语句在kotlin中，AS不报错，可以正常运行。把kotlin转为java，发现java代码根本没有协变，但是其它错误语句在AS中是报错的，我把java代码，贴到AS中是没有报错的。可能的结论就是，AS检查 优先级更高 ，有报错 就无法运行。无报错，就按照java代码去执行。难道是AS在检查Kotlin的时候不够严谨

存入数据：

• 编译器会阻止将Apple类加入fruits。在向fruits中添加元素时，编译器会检查类型是否符合要求。因为编译器只知道fruits是Fruit某个子类的List，但并不知道这个子类具体是什么类，只好阻止向其中加入任何子类。为了类型安全，不能往使用了? extends的数据结构里写入任何的值。

• 元素类型 为 Fruit 和其子类的 集合都可以成功赋值给变量fruits，赋值后，变量fruits类型就是具体的类型（不再是协变）。

• 通配符类型无法实例化

读取数据

但是，由于编译器知道它总是Fruit的子类型，因此我们总可以从中读取出Fruit对象：

Fruit fruit = fruits.get(0);

kotlin 的协变——out

从关键字，也能看出，只能 读出 数据

 var fruits :MutableList<out Fruit> 

逆变<? super T>

表示类型的下界是 T，参数化类型可以是 T 或 T 的超类：

public class Test 
    static class Food 
    static class Fruit extends Food 
    static class Apple extends Fruit 

    public static void main(String[] args) throws IOException 
        List<? super Fruit> fruits = new ArrayList<>();
        //Fruit 及其子类，可被看做是Fruit，从而添加成功
        fruits.add(new Food());     // compile error
        fruits.add(new Fruit());    // compile success
        fruits.add(new Apple());    // compile success
        
		//集合元素的类型，符合super Fruit，可赋值给变量fruits，赋值后fruits不再是逆变类型
        fruits = new ArrayList<Food>(); // compile success
        fruits = new ArrayList<Fruit>(); // compile success
        fruits = new ArrayList<Apple>(); // compile error

        fruits = new ArrayList<? super Fruit>(); // compile error: 通配符类型无法实例化      

        Fruit object = fruits.get(0); // compile error，
    

kotlin 的逆变——in

从关键字，也能看出，只能 写入 数据

 var fruits :MutableList<out Fruit>

存入数据：

• 添加 Fruit 及其子类 元素均可成功，因为编译器会自动向上转型，Fruit 及其子类 元素 可被认为是Fruit类型，可以成功添加 ，但由于编译器并不知道List的内容究竟是Fruit的哪个超类，因此不允许加入特定的任何超类型。

• 元素类型 为 Fruit 和其超类的 集合都可以成功赋值给变量fruits，赋值后，变量fruits类型就是具体的类型（不再是逆变）。

• super 通配符类型同样不能实例化

读取数据

编译器在不知道这个超类具体是什么类，只能返回Object对象，因为Object是任何Java类的最终祖先类。

Object fruit = apples.get(0);

数组是协变的

在 Java 语言中，数组是协变的，如果 Number是 Integer 的超类型，那么 Number[] 也是 Integer[]的超类型）。

对于数组来说，String[] 是可以赋值给Object[]：

public class Test 
    public static void main(String[] args) 
        String[] strArray = new String[3];
        Object[] objArray = strArray;
    

kotlin 的泛型实化

泛型实化在Java中是个不存在的概念，属于Kotlin的新特性；它能在运行时保留泛型信息，这听起来违反了JVM的机制，但是它确实可以做到，而且原理很简单，主要借助于关键字 inline 。

不使用 inline

fun <T> create(): T = mRetrofit.create(T::class.java)

因为T在编译时不存在，所以没法通过T拿到T的class对象。

使用inline

inline fun <reified T> create(): T = mRetrofit.create(T::class.java)

这个方法不仅可以被合法声明，而且在调用时也会非常优雅。

val service = create<NetworkService>()

create()方法不接收任何对象作为参数，而是只是传入了一个类型参数，就可以根据传入类型的不同返回我们需要的对象。

原理很简单，任何被声明称inline的函数都会把函数体内的所有代码直接复制到每一个被调用的地方，而由于泛型参数值的不同，所以每一个调用inline函数的位置都会因为泛型参数值的不同而有所不同，所以它在编译器就能确定具体的类型，才能实例化

PECS原则总结

从上述两方面的分析，总结PECS原则如下：

• 如果要从集合中读取类型T的数据，并且不能写入，可以使用 ? extends 通配符；(Producer Extends)
• 如果要从集合中写入类型T的数据，并且不需要读取，可以使用 ? super 通配符；(Consumer Super)
• 如果既要存又要取，那么就不要使用任何通配符。

现在再去思考最开始的问题，应该会更清楚一点

参考：

浅谈Java泛型中的extends和super关键字（转）

Java泛型中的PECS原则

Lists with wildcards cause Generic voodoo error

深入理解 Java 泛型：类型擦除、通配符、运行时参数类型获取

What is PECS (Producer Extends Consumer Super)?

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