Kotlin泛型的协变与逆变

以下内容摘自郭霖《第一行代码》第三版

泛型的协变

一个泛型类或者泛型接口中的方法，它的参数列表是接收数据的地方，因此可以称它为in位置，而它的返回值是输出数据的地方，因此可以称它为out位置。

先定义三个类：

open class Person(val name: String, val age: Int)
class Student(name: String, age: Int) : Person(name, age)
class Teacher(name: String, age: Int) : Person(name, age)

定义一个SimpleData类

class SimpleData<T> {
    private var data: T? = null
    fun set(t: T?) {
    	data = t
    }
    fun get(): T? {
    	return data
    }
}

那么以下代码就会存在编译问题：

fun main() {
    val student = Student("Tom", 19)
    val data = SimpleData<Student>()
    data.set(student)
    handleSimpleData(data) 							// 实际上这行代码会报错
    val studentData = data.get()
}
fun handleSimpleData(data: SimpleData<Person>) {
    val teacher = Teacher("Jack", 35)
    data.set(teacher)
}

即使Student是Person的子类，SimpleData并不是SimpleData的子类。

问题发生的主要原因是我们在handleSimpleData()方法中向SimpleData里设置了一个Teacher的实例。如果SimpleData在泛型T上是只读的话，肯定就没有类型转换的安全隐患了。

泛型协变的定义：假如定义了一个MyClass的泛型类，其中A是B的子类型，同时MyClass又是MyClass的子类型，那么我们就可以称MyClass在T这个泛型上是协变的。

要实现一个泛型类在其泛型类型的数据上是只读，则需要让MyClass类中的所有方法都不能接收T类型的参数。换句话说，T只能出现在out位置上，而不能出现在in位置上。

修改SimpleData类的代码：

class SimpleData<out T>(val data: T?) {
    fun get(): T? {
    	return data
    }
}

在泛型T的声明前面加上了一个out关键字。这就意味着现在T只能出现在out位置上，而不能出现在in位置上，同时也意味着SimpleData在泛型T上是协变的。

由于泛型T不能出现在in位置上，因此我们也就不能使用set()方法为data参数赋值了，所以这里改成了使用构造函数的方式来赋值。由于这里我们使用了val关键字，所以构造函数中的泛型T仍然是只读的，因此这样写是合法且安全的。另外，即使我们使用了var关键字，但只要给它加上private修饰符，保证这个泛型T对于外部而言是不可修改的，那么就都是合法的写法。

fun main() {
    val student = Student("Tom", 19)
    val data = SimpleData<Student>(student)
    handleMyData(data)
    val studentData = data.get()
}
fun handleMyData(data: SimpleData<Person>) {
	val personData = data.get()
}

由于SimpleData类已经进行了协变声明，那么SimpleData自然就是SimpleData的子类了，所以这里可以安全地向handleMyData()方法中传递参数。

然后在handleMyData()方法中去获取SimpleData封装的数据，虽然这里泛型声明的是Person类型，实际获得的会是一个Student的实例，但由于Person是Student的父类，向上转型是完全安全的，所以这段代码没有任何问题。

Kotlin已经默认给许多内置的API加上了协变声明，其中就包括了各种集合的类与接口。

List简化版源码：

public interface List<out E> : Collection<E> {
    override val size: Int
    override fun isEmpty(): Boolean
    override fun contains(element: @UnsafeVariance E): Boolean
    override fun iterator(): Iterator<E>
    public operator fun get(index: Int): E
}

原则上在声明了协变之后，泛型E就只能出现在out位置上，可是在contains()方法中，泛型E仍然出现在了in位置上。这么写本身是不合法的，因为在in位置上出现了泛型E就意味着会有类型转换的安全隐患。但是contains()方法的目的非常明确，它只是为了判断当前集合中是否包含参数中传入的这个元素，而并不会修改当前集合中的内容，因此这种操作实质上又是安全的。那么为了让编译器能够理解我们的这种操作是安全的，这里在泛型E的前面又加上了一个@UnsafeVariance注解，这样编译器就会允许泛型E出现在in位置上了。

泛型的逆变

假如定义了一个MyClass的泛型类，其中A是B的子类型，同时MyClass又是MyClass的子类型，那么我们就可以称MyClass在T这个泛型上是逆变的。

逆变与协变的区别：

先定义一个Transformer接口，用于执行一些转换操作：

interface Transformer<T> {
	fun transform(t: T): String
}

现在尝试对Transformer接口进行实现：

fun main() {
    val trans = object : Transformer<Person> {
        override fun transform(t: Person): String {
            return "${t.name} ${t.age}"
        }
    }
    handleTransformer(trans) // 这行代码会报错
}
fun handleTransformer(trans: Transformer<Student>) {
    val student = Student("Tom", 19)
    val result = trans.transform(student)
}

这段代码从安全的角度来分析是没有任何问题的，因为Student是Person的子类，使用Transformer的匿名类实现将Student对象转换成一个字符串也是绝对安全的，并不存在类型转换的安全隐患。但是实际上，在调用handleTransformer()方法的时候却会提示语法错误，原因也很简单，Transformer并不是Transformer的子类型。

那么这个时候逆变就可以派上用场了，它就是专门用于处理这种情况的。修改Transformer接口中的代码：

interface Transformer<in T> {
	fun transform(t: T): String
}

这里我们在泛型T的声明前面加上了一个in关键字。这就意味着现在T只能出现在in位置上，而不能出现在out位置上，同时也意味着Transformer在泛型T上是逆变的。

Kotlin在提供协变和逆变功能时，就已经把各种潜在的类型转换安全隐患全部考虑进去了。只要严格按照其语法规则，让泛型在协变时只出现在out位置上，逆变时只出现在in位置上，就不会存在类型转换异常的情况。虽然@UnsafeVariance注解可以打破这一语法规则，但同时也会带来额外的风险。

逆变比较典型的例子就是Comparable的使用。Comparable是一个用于比较两个对象大小的接口，其源码定义如下：

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