Java中的逆变与协变
原文：http://www.cnblogs.com/en-heng/p/5041124.html
看下面一段代码
Number num =newInteger(1); ArrayList list =newArrayList();//type mismatchList list =newArrayList();list.add(newInteger(1));//errorlist.add(newFloat(1.2f));//error
有人会纳闷，为什么Number的对象可以由Integer实例化，而ArrayList的对象却不能由ArrayList实例化？list中的声明其元素是Number或Number的派生类，为什么不能add Integer和Float?为了解决这些问题，我们需要了解Java中的逆变和协变以及泛型中通配符用法。
1. 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
LSP由Barbara Liskov于1987年提出，其定义如下：
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。
前面的两层含义比较好理解，后面的两层含义会在下文中详细解释。根据LSP，我们在实例化对象的时候，可以用其子类进行实例化，比如：
Number num =newInteger(1);
定义
逆变与协变用来描述类型转换（type transformation）后的继承关系，其定义：如果AA、BB表示类型，f(⋅)f(⋅)表示类型转换，≤≤表示继承关系（比如，A≤BA≤B表示AA是由BB派生出来的子类）；
f(⋅)f(⋅)是逆变（contravariant）的，当A≤BA≤B时有f(B)≤f(A)f(B)≤f(A)成立；
f(⋅)f(⋅)是协变（covariant）的，当A≤BA≤B时有f(A)≤f(B)成立f(A)≤f(B)成立；
f(⋅)f(⋅)是不变（invariant）的，当A≤BA≤B时上述两个式子均不成立，即f(A)f(A)与f(B)f(B)相互之间没有继承关系。
类型转换
接下来，我们看看Java中的常见类型转换的协变性、逆变性或不变性。
泛型
令f(A)=ArrayList，那么f(⋅)f(⋅)时逆变、协变还是不变的呢？如果是逆变，则ArrayList是ArrayList的父类型；如果是协变，则ArrayList是ArrayList的子类型；如果是不变，二者没有相互继承关系。开篇代码中用ArrayList实例化list的对象错误，则说明泛型是不变的。
数组
令f(A)=[]A，容易证明数组是协变的：
Number[] numbers =newInteger[3];
方法
方法的形参是协变的、返回值是逆变的：
通过与网友iamzhoug37的讨论，更新如下。
调用方法result = method(n)；根据Liskov替换原则，传入形参n的类型应为method形参的子类型，即typeof(n)≤typeof(method's parameter)；result应为method返回值的基类型，即typeof(methods's return)≤typeof(result)：
static Number method(Number num){return1;}Object result =method(newInteger(2));//correctNumber result =method(newObject());//errorInteger result =method(newInteger(2));//error
在Java 1.4中，子类覆盖（override）父类方法时，形参与返回值的类型必须与父类保持一致：
classSuper{Number method(Number n){... }}classSubextendsSuper{@OverrideNumber method(Number n){... }}
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：
classSuper{Number method(Number n){... }}classSubextendsSuper{@OverrideInteger method(Number n){... }}
2. 泛型中的通配符
实现泛型的协变与逆变
Java中泛型是不变的，可有时需要实现逆变与协变，怎么办呢？这时，通配符?派上了用场：
实现了泛型的协变，比如：
List list =newArrayList();
实现了泛型的逆变，比如：
List list =newArrayList();
extends与super
为什么（开篇代码中）List list在add Integer和Float会发生编译错误？首先，我们看看add的实现：
publicinterfaceListextendsCollection{boolean add(E e);}
在调用add方法时，泛型E自动变成了，其表示list所持有的类型为在Number与Number派生子类中的某一类型，其中包含Integer类型却又不特指为Integer类型（Integer像个备胎一样！！！），故add Integer时发生编译错误。为了能调用add方法，可以用super关键字实现：
List list =newArrayList();list.add(newInteger(1));list.add(newFloat(1.2f));
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.
比如，一个简单的Stack API：
publicclassStack{publicStack();public void push(E e):public E pop();public boolean isEmpty();}
要实现pushAll(Iterable src)方法，将src的元素逐一入栈：
public void pushAll(Iterable src){for(E e : src)push(e)}
假设有一个实例化Stack的对象stack，src有Iterable与 Iterable；在调用pushAll方法时会发生type mismatch错误，因为Java中泛型是不可变的，Iterable与 Iterable都不是Iterable的子类型。因此，应改为
// Wildcard type for parameter that serves as an E producerpublic void pushAll(Iterable src){for(E e : src)push(e);}
要实现popAll(Collection dst)方法，将Stack中的元素依次取出add到dst中，如果不用通配符实现：
// popAll method without wildcard type - deficient!public void popAll(Collection dst){while(!isEmpty()) dst.add(pop()); }
同样地，假设有一个实例化Stack的对象stack，dst为Collection；调用popAll方法是会发生type mismatch错误，因为Collection不是Collection的子类型。因而，应改为：
// Wildcard type for parameter that serves as an E consumerpublic void popAll(Collection dst){while(!isEmpty()) dst.add(pop());}
在上述例子中，在调用pushAll方法时生产了E 实例（produces E instances），在调用popAll方法时dst消费了E 实例（consumes E instances）。Naftalin与Wadler将PECS称为Get and Put Principle。
java.util.Collections的copy方法(JDK1.7)完美地诠释了PECS：
publicstaticvoid copy(List dest, List src){intsrcSize = src.size();if(srcSize > dest.size())thrownewIndexOutOfBoundsException("Source does not fit in dest");if(srcSize < COPY_THRESHOLD || (srcinstanceofRandomAccess && destinstanceofRandomAccess)) {for(inti=0; i di=dest.listIterator(); ListIterator si=src.listIterator();for(inti=0; i
PECS总结：
要从泛型类取数据时，用extends；
要往泛型类写数据时，用super；
既要取又要写，就不用通配符（即extends与super都不用）。
3. 参考资料
[1] meriton, Covariance, Invariance and Contravariance explained in plain English?.
[2] Bert F, Difference between and in Java.
[3] Joshua Bloch, Effective Java.
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作者：Treant
出处：http://www.cnblogs.com/en-heng/