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泛型对于每个开发者而言并不陌生,平时在项目中会经常见到,但是有很多小伙伴们,每次见到通配符 ? extends? superoutin 都傻傻分不清楚它们的区别,以及在什么情况下使用。

通过这篇文章将会学习的到以下内容。

  • 为什么要有泛型
  • Kotlin 和 Java 的协变
  • Kotlin 和 Java 的逆变
  • 通配符 ? extends? superoutin 的区别和应用场景
  • Kotlin 和 Java 数组协变的不同之处
  • 数组协变的缺陷
  • 协变和逆变的应用场景

为什么要有泛型

在 Java 和 Kotlin 中我们常用集合( ListSetMap 等等)来存储数据,而在集合中可能存储各种类型的数据,现在我们有四种数据类型 IntFloatDoubleNumber,假设没有泛型,我们需要创建四个集合类来存储对应的数据。

class IntList{ ...... }
class FloatList{ ...... }
class DoubleList{ ...... }
class NumberList{ ...... }
......
更多

如果有更多的类型,就需要创建更多的集合类来保存对应的数据,这显示是不可能的,而泛型是一个 "万能的类型匹配器",同时有能让编译器保证类型安全。

泛型将具体的类型( IntFloatDouble 等等)声明的时候使用符号来代替,使用的时候,才指定具体的类型。

// 声明的时候使用符号来代替
class List<E>{
}

// 在 Kotlin 中使用,指定具体的类型
val data1: List<Int> = List()
val data2: List<Float> = List()

// 在 Java 中使用,指定具体的类型
List<Integer> data1 = new List();
List<Float> data2 = new List();

泛型很好的帮我们解决了上面的问题,但是随之而来出现了新的问题,我们都知道 IntFloatDoubleNumber 子类型, 因此下面的代码是可以正常运行的。

// Kotlin
val number: Number = 1

// Java
Number number = 1;

我们花三秒钟思考一下,下面的代码是否可以正常编译。

List<Number> numbers = new ArrayList<Integer>();

答案是不可以,正如下图所示,编译会出错。

90%的人都不懂的泛型,泛型的缺陷和应用场景

这也就说明了泛型是不可变的,IDE 认为 ArrayList&lt;Integer&gt; 不是 List&lt;Number&gt; 子类型,不允许这么赋值,那么如何解决这个问题呢,这就需要用到协变了,协变允许上面的赋值是合法的。

Kotlin 和 Java 的协变

  • 在 Java 中用通配符 ? extends T 表示协变,extends 限制了父类型 T,其中 ? 表示未知类型,比如 ? extends Number,只要声明时传入的类型是 Number 或者 Number 的子类型都可以
  • 在 Kotlin 中关键字 out T 表示协变,含义和 Java 一样

现在我们将上面的代码修改一下,在花三秒钟思考一下,下面的代码是否可以正常编译。

// kotlin
val numbers: MutableList<out Number> = ArrayList<Int>()

// Java
List<? extends Number> numbers = new ArrayList<Integer>();

答案是可以正常编译,协变通配符 ? extends Number 或者 out Number 表示接受 Number 或者 Number 子类型为对象的集合,协变放宽了对数据类型的约束,但是放宽是有代价的,我们在花三秒钟思考一下,下面的代码是否可以正常编译。

// Koltin
val numbers: MutableList<out Number> = ArrayList<Int>()
numbers.add(1)

// Java
List<? extends Number> numbers = new ArrayList<Integer>();
numbers.add(1)

调用 add() 方法会编译失败,虽然协变放宽了对数据类型的约束,可以接受 Number 或者 Number 子类型为对象的集合,但是代价是 无法添加元素,只能获取元素,因此协变只能作为生产者,向外提供数据。

为什么无法添加元素

因为 ? 表示未知类型,所以编译器也不知道会往集合中添加什么类型的数据,因此索性不允许往集合中添加元素。

但是如果想让上面的代码编译通过,想往集合中添加元素,这就需要用到逆变了。

Kotlin 和 Java 的逆变

逆变其实是把继承关系颠倒过来,比如 IntegerNumber 的子类型,但是 Integer 加逆变通配符之后,Number? super Integer 的子类,如下图所示。

90%的人都不懂的泛型,泛型的缺陷和应用场景

  • 在 Java 中用通配符 ? super T 表示逆变,其中 ? 表示未知类型,super 主要用来限制未知类型的子类型 T,比如 ? super Number,只要声明时传入是 Number 或者 Number 的父类型都可以
  • 在 Kotlin 中关键字 in T 表示逆变,含义和 Java 一样

现在我们将上面的代码简单修改一下,在花三秒钟思考一下是否可以正常编译。

// Kotlin
val numbers: MutableList<in Number> = ArrayList<Number>()
numbers.add(100)

// Java
List<? super Number> numbers = new ArrayList<Number>();
numbers.add(100);

答案可以正常编译,逆变通配符 ? super Number 或者关键字 in 将继承关系颠倒过来,主要用来限制未知类型的子类型,在上面的例子中,编译器知道子类型是 Number,因此只要是 Number 的子类都可以添加。

逆变可以往集合中添加元素,那么可以获取元素吗?我们花三秒钟时间思考一下,下面的代码是否可以正常编译。

// Kotlin
val numbers: MutableList<in Number> = ArrayList<Number>()
numbers.add(100)
numbers.get(0)

// Java
List<? super Number> numbers = new ArrayList<Number>();
numbers.add(100);
numbers.get(0);

无论调用 add() 方法还是调用 get() 方法,都可以正常编译通过,现在将上面的代码修改一下,思考一下是否可以正常编译通过。

// Kotlin
val numbers: MutableList<in Number> = ArrayList<Number>()
numbers.add(100)
val item: Int = numbers.get(0)

// Java
List<? super Number> numbers = new ArrayList<Number>();
numbers.add(100);
int item = numbers.get(0);

调用 get() 方法会编译失败,因为 numbers.get(0) 获取的的值是 Object 的类型,因此它不能直接赋值给 int 类型,逆变和协变一样,放宽了对数据类型的约束,但是代价是 不能按照泛型类型读取元素,也就是说往集合中添加 int 类型的数据,调用 get() 方法获取到的不是 int 类型的数据。

对这一小节内容,我们简单的总结一下。

关键字(Java/Kotlin) 添加 读取
协变 ? extends / out
逆变 ? super / in

Kotlin 和 Java 数组协变的不同之处

无论是 Kotlin 还是 Java 它们协变和逆变的含义的都是一样的,只不过通配符不一样,但是他们也有不同之处。

Java 是支持数组协变,代码如下所示:

Number[] numbers = new Integer[10];

但是 Java 中的数组协变有缺陷,将上面的代码修改一下,如下所示。

Number[] numbers = new Integer[10];
numbers[0] = 1.0;

可以正常编译,但是运行的时候会崩溃。

90%的人都不懂的泛型,泛型的缺陷和应用场景

因为最开始我将 Number[] 协变成 Integer[],接着往数组里添加了 Double 类型的数据,所以运行会崩溃。

而 Kotlin 的解决方案非常的干脆,不支持数组协变,编译的时候就会出错,对于数组逆变 Koltin 和 Java 都不支持。

协变和逆变的应用场景

协变和逆变应用的时候需要遵循 PECS(Producer-Extends, Consumer-Super)原则,即 ? extends 或者 out 作为生产者,? super 或者 in 作为消费者。遵循这个原则的好处是,可以在编译阶段保证代码安全,减少未知错误的发生。

90%的人都不懂的泛型,泛型的缺陷和应用场景

协变应用

  • 在 Java 中用通配符 ? extends 表示协变
  • 在 Kotlin 中关键字 out 表示协变

协变只能读取数据,不能添加数据,所以只能作为生产者,向外提供数据,因此只能用来输出,不用用来输入。

在 Koltin 中一个协变类,参数前面加上 out 修饰后,这个参数在当前类中 只能作为函数的返回值,或者修饰只读属性 ,代码如下所示。

// 正常编译
interface ProduceExtends<out T> {
    val num: T          // 用于只读属性
    fun getItem(): T    // 用于函数的返回值
}

// 编译失败
interface ProduceExtends<out T> {
    var num : T         // 用于可变属性
    fun addItem(t: T)   // 用于函数的参数 
}

当我们确定某个对象只作为生产者时,向外提供数据,或者作为方法的返回值时,我们可以使用 ? extends 或者 out

  • 以 Kotlin 为例,例如 Iterator#next() 方法,使用了关键字 out,返回集合中每一个元素

90%的人都不懂的泛型,泛型的缺陷和应用场景

  • 以 Java 为例,例如 ArrayList#addAll() 方法,使用了通配符 ? extends

90%的人都不懂的泛型,泛型的缺陷和应用场景

传入参数 Collection&lt;? extends E&gt; c 作为生产者给 ArrayList 提供数据。

逆变应用

  • 在 Java 中使用通配符 ? super 表示逆变
  • 在 Kotlin 中使用关键字 in 表示逆变

逆变只能添加数据,不能按照泛型读取数据,所以只能作为消费者,因此只能用来输入,不能用来输出。

在 Koltin 中一个逆变类,参数前面加上 in 修饰后,这个参数在当前类中 只能作为函数的参数,或者修饰可变属性

// 正常编译,用于函数的参数
interface ConsumerSupper<in T> {
    fun addItem(t: T)
}

// 编译失败,用于函数的返回值
interface ConsumerSupper<in T> {
    fun getItem(): T
}

当我们确定某个对象只作为消费者,当做参数传入时,只用来添加数据,我们使用通配符 ? super 或者关键字 in

  • 以 Kotlin 为例,例如扩展方法 Iterable#filterTo(),使用了关键字 in,在内部只用来添加数据

90%的人都不懂的泛型,泛型的缺陷和应用场景

  • 以 Java 为例,例如 ArrayList#forEach() 方法,使用了通配符 ? super

90%的人都不懂的泛型,泛型的缺陷和应用场景

不知道小伙伴们有没有注意到,在上面的源码中,分别使用了不同的泛型标记符 TE,其实我们稍微注意一下,在源码中有几个高频的泛型标记符 TEKV 等等,它们分别应用在不同的场景。

标记符 应用场景
T(Type)
E(Element) 集合
K(Key)
V(Value)

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