- 数组的协变
- 逆变与协变
- Liskov替换原则
- 泛型中的通配符
- 无限制通配符
- 上边界限定通配符
- 下边界限定通配符
- PECS
- 类型擦除
这篇文章参考了一些网上的文章和书籍如《Java核心技术》还有自己的一些理解而来，由于在整理的时候忘记记录一些材料的出处，参考资料无法添加了，在此非常感谢原文章的作者们也说一声抱歉。
数组的协变
在了解通配符之前，先来了解一下数组。Java 中的数组是协变的，什么意思？看下面的例子：
class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}
class Jonathan extends Apple {}
class Orange extends Fruit {}
public class CovariantArrays {
public static void main(String[] args) {
Fruit[] fruit = new Apple[10];
fruit[0] = new Apple(); // OK
fruit[1] = new Jonathan(); // OK
// Runtime type is Apple[], not Fruit[] or Orange[]:
try {
// Compiler allows you to add Fruit:
fruit[0] = new Fruit(); // ArrayStoreException
} catch(Exception e) { System.out.println(e); }
try {
// Compiler allows you to add Oranges:
fruit[0] = new Orange(); // ArrayStoreException
} catch(Exception e) { System.out.println(e); }
}
} /* Output:
java.lang.ArrayStoreException: Fruit
java.lang.ArrayStoreException: Orange
*///:~在数组fruit中第一个实际是Apple，第二个是Jonathan，但是他们都能被放入数组fruit中，这就是数组的协变。
逆变与协变
在介绍逆变与协变之前，先引入Liskov替换原则（Liskov Substitution Principle, LSP）。
Liskov替换原则
所有引用基类（父类）的地方必须能透明地使用其子类的对象。
LSP包含以下四层含义：
+ 子类完全拥有父类的方法，且具体子类必须实现父类的抽象方法。
+ 子类中可以增加自己的方法。
+ 当子类覆盖或实现父类的方法时，方法的形参要比父类方法的更为宽松。
+ 当子类覆盖或实现父类的方法时，方法的返回值要比父类更严格。
**数组是协变的
泛型是不变**
前面两条很容易理解，关键是后两条，不过通过例子我们也能很简单的就说明了。
从Java 1.5开始，子类覆盖父类方法时允许协变返回更为具体的类型：
class Super {
Number method(Number n) { ... }
}
class Sub extends Super {
@Override
Integer method(Number n) { ... }
}泛型中的通配符
class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}
class Jonathan extends Apple {}
class Orange extends Fruit {}无限制通配符
上边界限定通配符
下边界限定通配符
List<? super Number> list = new ArrayList<Object>();
list.add(new Integer(1));
list.add(new Float(1.2f));<? super Number>表示list所持有的类型为在Number与Number的基类中的某一类型，其中Integer与Float必定为这某一类型的子类；所以add方法能被正确调用。从上面的例子可以看出，extends确定了泛型的上界，而super确定了泛型的下界。
PECS
现在问题来了：究竟什么时候用extends什么时候用super呢？《Effective Java》给出了答案：
PECS: producer-extends, consumer-super.
PECS总结:
- “Producer Extends” - 如果你需要一个只读List，用它来produce T，那么使用? extends T。
- “Consumer Super” - 如果你需要一个只写List，用它来consume T，那么使用? super T。
- 如果需要同时读取以及写入，那么我们就不能使用通配符了。
java.util.Collections的copy方法(JDK1.7)完美地诠释了PECS：
public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
int srcSize = src.size();
if (srcSize > dest.size())
throw new IndexOutOfBoundsException("Source does not fit in dest");
if (srcSize < COPY_THRESHOLD ||
(src instanceof RandomAccess && dest instanceof RandomAccess)) {
for (int i=0; i<srcSize; i++)
dest.set(i, src.get(i));
} else {
ListIterator<? super T> di=dest.listIterator();
ListIterator<? extends T> si=src.listIterator();
for (int i=0; i<srcSize; i++) {
di.next();
di.set(si.next());
}
}
}类型擦除
Java泛型中最令人苦恼的地方或许就是类型擦除了，特别是对于有C++经验的程序员。类型擦除就是说Java泛型只能用于在编译期间的静态类型检查，然后编译器生成的代码会擦除相应的类型信息，这样到了运行期间实际上JVM根本就知道泛型所代表的具体类型。这样做的目的是因为Java泛型是1.5之后才被引入的，为了保持向下的兼容性，所以只能做类型擦除来兼容以前的非泛型代码。对于这一点，如果阅读Java集合框架的源码，可以发现有些类其实并不支持泛型。
说了这么多，那么泛型擦除到底是什么意思呢？我们先来看一下下面这个简单的例子：
public class Node<T> {
private T data;
private Node<T> next;
public Node(T data, Node<T> next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public T getData() { return data; }
// ...
}编译器做完相应的类型检查之后，实际上到了运行期间上面这段代码实际上将转换成：
public class Node {
private Object data;
private Node next;
public Node(Object data, Node next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public Object getData() { return data; }
// ...
}这意味着不管我们声明Node还是Node，到了运行期间，JVM统统视为Node。有没有什么办法可以解决这个问题呢？这就需要我们自己重新设置bounds了，将上面的代码修改成下面这样：
public class Node<T extends Comparable<T>> {
private T data;
private Node<T> next;
public Node(T data, Node<T> next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public T getData() { return data; }
// ...
}这样编译器就会将T出现的地方替换成Comparable而不再是默认的Object了：
public class Node {
private Comparable data;
private Node next;
public Node(Comparable data, Node next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public Comparable getData() { return data; }
// ...
}上面的概念或许还是比较好理解，但其实泛型擦除带来的问题远远不止这些，接下来我们系统地来看一下类型擦除所带来的一些问题，有些问题在C++的泛型中可能不会遇见，但是在Java中却需要格外小心。
问题一
在Java中不允许创建泛型数组，类似下面这样的做法编译器会报错： List<Integer>[] arrayOfLists = new List<Integer>[2]; // compile-time error
为什么编译器不支持上面这样的做法呢？继续使用逆向思维，我们站在编译器的角度来考虑这个问题。
我们先来看一下下面这个例子：
Object[] strings = new String[2];
strings[0] = "hi"; // OK
strings[1] = 100; // An ArrayStoreException is thrown.对于上面这段代码还是很好理解，字符串数组不能存放整型元素，而且这样的错误往往要等到代码运行的时候才能发现，编译器是无法识别的。接下来我们再来看一下假设Java支持泛型数组的创建会出现什么后果：
Object[] stringLists = new List<String>[]; // compiler error, but pretend it's allowed
stringLists[0] = new ArrayList<String>(); // OK
// An ArrayStoreException should be thrown, but the runtime can't detect it.
stringLists[1] = new ArrayList<Integer>();假设我们支持泛型数组的创建，由于运行时期类型信息已经被擦除，JVM实际上根本就不知道new ArrayList()和new ArrayList()的区别。类似这样的错误假如出现才实际的应用场景中，将非常难以察觉。
如果你对上面这一点还抱有怀疑的话，可以尝试运行下面这段代码：
public class ErasedTypeEquivalence {
public static void main(String[] args) {
Class c1 = new ArrayList<String>().getClass();
Class c2 = new ArrayList<Integer>().getClass();
System.out.println(c1 == c2); // true
}
}问题二
继续复用我们上面的Node的类，对于泛型代码，Java编译器实际上还会偷偷帮我们实现一个Bridge method。
public class Node<T> {
public T data;
public Node(T data) { this.data = data; }
public void setData(T data) {
System.out.println("Node.setData");
this.data = data;
}
}
public class MyNode extends Node<Integer> {
public MyNode(Integer data) { super(data); }
public void setData(Integer data) {
System.out.println("MyNode.setData");
super.setData(data);
}
}看完上面的分析之后，你可能会认为在类型擦除后，编译器会将Node和MyNode变成下面这样：
public class Node {
public Object data;
public Node(Object data) { this.data = data; }
public void setData(Object data) {
System.out.println("Node.setData");
this.data = data;
}
}
public class MyNode extends Node {
public MyNode(Integer data) { super(data); }
public void setData(Integer data) {
System.out.println("MyNode.setData");
super.setData(data);
}
}实际上不是这样的，我们先来看一下下面这段代码，这段代码运行的时候会抛出ClassCastException异常，提示String无法转换成Integer：
MyNode mn = new MyNode(5);
Node n = mn; // A raw type - compiler throws an unchecked warning
n.setData("Hello"); // Causes a ClassCastException to be thrown.
// Integer x = mn.data;如果按照我们上面生成的代码，运行到第3行的时候不应该报错(注意我注释掉了第4行)，因为MyNode中不存在setData(String data)方法，所以只能调用父类Node的setData(Object data)方法，既然这样上面的第3行代码不应该报错，因为String当然可以转换成Object了，那ClassCastException到底是怎么抛出的？
实际上Java编译器对上面代码自动还做了一个处理：
class MyNode extends Node {
// Bridge method generated by the compiler
public void setData(Object data) {
setData((Integer) data);
}
public void setData(Integer data) {
System.out.println("MyNode.setData");
super.setData(data);
}
// ...
}这也就是为什么上面会报错的原因了，setData((Integer) data);的时候String无法转换成Integer。所以上面第2行编译器提示unchecked warning的时候，我们不能选择忽略，不然要等到运行期间才能发现异常。如果我们一开始加上Node n = mn就好了，这样编译器就可以提前帮我们发现错误。
问题三
正如我们上面提到的，Java泛型很大程度上只能提供静态类型检查，然后类型的信息就会被擦除，所以像下面这样利用类型参数创建实例的做法编译器不会通过：
public static <E> void append(List<E> list) {
E elem = new E(); // compile-time error
list.add(elem);
}但是如果某些场景我们想要需要利用类型参数创建实例，我们应该怎么做呢？可以利用反射解决这个问题：
public static <E> void append(List<E> list, Class<E> cls) throws Exception {
E elem = cls.newInstance(); // OK
list.add(elem);
}我们可以像下面这样调用：
List<String> ls = new ArrayList<>();
append(ls, String.class);实际上对于上面这个问题，还可以采用Factory和Template两种设计模式解决，感兴趣的朋友不妨去看一下Thinking in Java中第15章中关于Creating instance of types(英文版第664页)的讲解，这里我们就不深入了。
问题四
我们无法对泛型代码直接使用instanceof关键字，因为Java编译器在生成代码的时候会擦除所有相关泛型的类型信息，正如我们上面验证过的JVM在运行时期无法识别出ArrayList和ArrayList的之间的区别：
public static <E> void rtti(List<E> list) {
if (list instanceof ArrayList<Integer>) { // compile-time error
// ...
}
}
=> { ArrayList<Integer>, ArrayList<String>, LinkedList<Character>, ... }和上面一样，我们可以使用通配符重新设置bounds来解决这个问题：
public static void rtti(List<?> list) {
if (list instanceof ArrayList<?>) { // OK; instanceof requires a reifiable type
// ...
}
}
