从面向对象说起

Java作为一门面相对象的语言，当然是支持面相对象的三大基本特性的，反手就蹦出三个词：封装、继承、多态。

我们假设有三个类，动物、猫、狗。父类是动物Animal，有两个子类猫Cat和狗Dog。

那在Java中或其它任何支持面相对象的语言中，子类可以把引用赋值给父类。下面这段代码没有任何问题：

Animal animalOne = new Cat();
Animal animalTwo = new Dog();

理论上来说，一只猫是一只动物，一只狗也是一只动物，所以这完全是可以理解的。其实，这也是SOLID原则中的“里氏替换原则”的一种体现。

数组的协变

如果一只猫是一只动物，那一群猫是一群动物吗？一群狗是一群动物吗？Java数组认为是的。于是你可以这样写：

Animal[] animals = new Cat[2];

这看起来也没有什么问题。但既然都是一群动物了，我往这一群动物中添加一只猫、一只狗，它还是一群动物，这应该是合理的对吧？来看看这段代码：

Animal[] animals = new Cat[2];
animals[0] = new Cat();
// 下面这行代码会抛运行时异常
animals[1] = new Dog();
Animal animal = animal[0];

很好，编译没有任何问题。但是一运行，会抛出一个运行时异常：ArrayStoreException。这个异常头顶的注释已经写得很明显了，如果你往数组中添加一个类型不对的对象，就会抛这个异常。它是从JDK 1.0就存在的一个异常。

这么一想，对啊，animals虽然门面上是一个Animal数组，但是它运行时的本质还是一个Cat数组啊，一个Cat数组怎么能添加一个Dog呢？但Java编译器并没有这么智能，而且上述代码在编

译器看来也是合理合法的，所以也就让它编译过了。

所以这种情况，编译器100%过，而运行时100%抛异常，这不是大写的BUG是啥？

如果Cat是Animal的子类型，那么Cat[]也是Animal[]的子类型，我们称这种性质为协变（covariance）。Java中，数组是协变的。

泛型的不变性

在Java 1.5之前，是没有泛型的。那个时候从集合中存取对象都是Object类型，所以每次取出对象后必须进行强转：

List list = new LinkedList();
list.add(123);
list.add("123");
int a = (int)list.get(0);
// 下面这段代码会在运行时抛异常
int b = (int)list.get(1);

如果不小心存入集合中对象类型是错的，会在运行时报强转异常。而1.5提供泛型以后，可以让编译器自动帮助转换，并对代码进行检查，使程序更加安全。

在Java8又加入了泛型的类型推导功能，使用泛型以后，我们的代码看起来变得简洁又安全了：

List<Integer> list = new LinkedList<>();
list.add(123);
// 下面这局代码编译节点会报错
list.add("123");
int a = list.get(0);

《Effective Java》中，第28条（第三版）说，列表优先于数组。Java在使用列表+泛型时，吸取了上面数组的教训。前面提到，Java中数组是协变的，所以会有些问题。而Java中的泛型是不变（invariance）的，也就是说，List<Cat>并不是List<Animal>的子类型。所以像下面这样写，编译器会直接报错。

List<Cat> cats = new LinkedList<>();
// 编译器报错
List<Animal> animals = cats;

这样就可以在编译期对代码进行检查，防止它在运行期才发现错误抛异常。

不变不能解决所有问题

泛型是不变的，所以我们使用泛型的时候，能够更加安全。

但是在使用一门面向对象的语言中，我们难免会有需要集合也支持一些面向对象的特性的场景。我们可以简单地把它们分成生产场景和消费场景。

消费场景的协变

比如，我希望有一个Animal的集合，我不用去管它里面存的具体类型是什么，但我每次从这个集合取出来的，一定是一个Animal或其子类。这是一种典型的消费场景，从集合中取出元素来消费。

在消费场景，Java提供了通配符和extends关键字来支持泛型的协变。来看看这段代码：

List<? extends Animal> animals = new LinkedList<Cat>();
// 以下四行代码都不能编译通过
// animals.add(new Dog());
// animals.add(new Cat());
// animals.add(new Animal());
// animals.add(new Object());
// 可以添加null，但没意义
animals.add(null);
// 可以安全地取出来
Animal animal = animals.get(0);

也就是说，虽然因为泛型的不变性，List<Cat>并不是List<Animal>的子类型，但Java通过其它方式来支持了泛型的协变，List<Cat>是List<? extends Animal>的子类型。与此同时，Java在编译器层面通过禁止写入的方式，保证了协变下的安全性。

为什么协变下不能写入呢？因为协变下写入是不安全的，想想文章最开头那个数组的协变的例子。

生产场景的逆变

我们希望有一个集合，可以往里面写入Animal及其子类。那可以通过super关键字来定义泛型集合：

// 下面这行代码编译不通过
// List<? super Animal> animals = new LinkedList<Cat>();
// 下面都是OK的写法
// List<? super Animal> animals = new LinkedList<Object>();
// List<? super Animal> animals = new LinkedList<Animal>();
// 等价于上面一行的写法
List<? super Animal> animals = new LinkedList<>();
animals.add(new Cat());
animals.add(new Dog());
// 取出来一定是Object
Object object = animals.get(0);
// 这样写是OK的
List<? super Cat> cats = new LinkedList<Animal>();

逆变（contravariance），也称逆协变，从名字可以看出来，它与协变的性质是相反的。也就是说，List<Animal>是List<? super Cat>的子类型。

上界和下界

我们会在很多资料里看到对Java中泛型extends和super关键字的解读，说extends决定了上界，super决定了下界。

为什么这么说呢？其实看完上面两个小节，你会明白，这里的上界和下界，其实本质上指的是，在定义泛型的时候，子类型的边界。换句话说，在运行时真正的类型。

我们用X来指代类型，看看下面两行代码：

// X可以是Animal及其子类，Animal是X的上界
List<? extends Animal> animals = new LinkedList<X>();
// X可以是Cat及其父类，Cat是X的下界
List<? super Cat> cats = new LinkedList<X>();

任意类型通配符

在Java代码中，你可能还看到这种写法：<?>，它代表任意类型通配符。老规矩，直接上代码：

List<?> anyOne = new LinkedList<Animal>();
List<?> anyTwo = new LinkedList<Cat>();
List<?> anyThree = new LinkedList<Object>();
// anyFour等价于anyThree的写法
List<?> anyFour = new LinkedList<>();
// 这种写法编译不通过
// List<?> anyFive = new LinkedList<?>();
// 具有extends和super的性质
// 这种写法编译不通过
// anyOne.add(new Cat());
// anyOne.add(new Object());
// 能取出来Object类型
Object o = anyOne.get(0);

也就是说，它是“无界”的，对于任意类型X，List<X>都是List<?>的子类型。但List<?>不能add，get出来也是Object类型。它同时具有协变和逆变的两种性质，上界是Object，但不能调用add方法。

那它与List<Object>有什么区别呢？根据前面的推断，有两个比较明显的区别：

List<Object>可以调用add方法，但List<?>不能。
List<?>可以协变，上界是Object，但List<Object>不能协变。

Collection源码解读

看到这里你可能还有一些疑惑，什么时候应该用泛型的协变、逆变呢？我们来看看Collection接口的几个方法签名（JDK 1.8版本）。

boolean add(E e);
boolean addAll(Collection<? extends E> c);
boolean contains(Object o);
boolean containsAll(Collection<?> c);
default boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {
    Objects.requireNonNull(filter);
    boolean removed = false;
    final Iterator<E> each = iterator();
    while (each.hasNext()) {
        if (filter.test(each.next())) {
            each.remove();
            removed = true;
        }
    }
    return removed;
}

add和addAll

首先我们来看add和addAll方法。下面这段代码：

Collection<Animal> animals = new LinkedList<>();
animals.add(new Cat());
animals.add(new Animal());
Collection<Cat> cats = new LinkedList<>();
Collection<Object> objects = new LinkedList<>();
animals.addAll(cats);
// 以下代码编译不通过，因为不安全
animals.addAll(objects);

为什么这段代码可以编译通过且运行时安全？对于animals，它的泛型是<Animal>，根据里氏替换原则，add方法可以添加Animal及其子类对象。

而对于addAll方法来说，因为方法参数声明的是<? extends E>，而这里的E是我们声明Collection用的泛型Animal，所以其实addAll的方法参数类型是Collection<? extends Animal>。

结合前文我们知道，这里应用了协变的特性，Collection<Cat>在参数传递的时候被转换成了Collection<? extends Animal>。

而我们看源码可以发现，这里的参数传进来之后，是只读的，也就是只有消费场景，所以可以使用协变。而如果是allAll(Collection<E> c)这种方法参数的话，就不能支持上述代码，往其中添加一个cats了。

contains和containsAll

contains方法没有使用泛型，而是直接使用了一个Object对象，它可以在任何时候调用。那为什么contains方法不像add方法一样，使用泛型，是contains(T t)呢？

因为如果这样定义了的话，contains方法也会像add方法一样，受到协变的限制，声明为Collection<? extends Animal>的对象就不能使用contains方法了。尽管我们确信在contains方法内部并不会修改List中的对象（因此不会有类型安全的问题）。在Java中我们没有办法解决这个问题，因此，只能写成contains(Object o)。

对于containsAll方法，先看看这段代码：

Collection<Animal> animals = new LinkedList<>();
Collection<Cat> cats = new LinkedList<>();
Collection<Object> objects = new LinkedList<>();
animals.containsAll(cats);
animals.containsAll(objects);

为什么containsAll的方法参数是Collection<?> c呢？

首先，不能用Collection<Object> c，因为这样的话，就不能协变了，上述代码animals.containsAll(cats)就会编译不通过，尽管我们知道这段代码是安全的。

然后，为什么不能像allAll方法那样，用协变Collection<? extends E> c呢？因为我们知道，containsAll方法对Collection没有副作用，而addAll有。所以我们不能animals.addAll(objects)，但可以animals.containsAll(objects)。

最后，为什么又不能用逆变Collection<? super E> c呢？因为这样的话，就不能让animals.containsAll(cats)编译通过了。

所以只能选择Collection<?> c。它是无界的，且具有协变性质，且取出来是Object对象，刚好内部实现也是循环去调用contains方法，与contains方法的参数类型Object一致。

同理，remove和removeAll和这两个方法是类似的写法，这里就不过多描述了。

removeIf

这个方法的参数是一个Predicate。用过Java 8的都知道，这是一个函数式接口。在这里使用了逆变，Predicate<? super E> filter定义了filter的下界。对于Predicate来说，这里是一个生产场景，所以应该使用逆变。

这里为什么要用逆变其实也很简单，因为在调用removeIf的时候，我们只能保证animals里面的元素是Animal，但我们并不知道具体的子类型。所以下面这种代码是不安全的，

Collection<Animal> animals = new LinkedList<>();
Predicate<Cat> catPredicate = cat -> true;
// 因为removeIf逆变的限制，所以下面这行代码编译不通过
animals.removeIf(catPredicate);
复制代码

对我们日常工作有什么用？

看到这里，可能有的朋友已经开始吐槽了，我有必要了解这些吗？面试造火箭，工作拧螺丝？

其实不然，泛型是Java乃至很多面向对象语言的一种最基本的语言特性，所以知道它为什么这么设计是非常重要的。平时我们看源码的时候，看到这样的代码才会心中有数。

另一方面，随着编程水平的提高，难免有一些比较复杂的代码设计，或多或少会使用到泛型。合理地使用泛型、结合泛型的协变和逆变的特性能够让我们的代码变得更安全，比如上面Collection中用到的Predicate，就用了逆变的性质。

简单总结一下，Java的数组是协变的，泛型是不变的。但泛型可以通过extends关键字实现协变，通过super关键字实现逆变，分别应用于不同的场景。协变应用于消费场景，定义了上界。逆变应用于生产场景，定义了下界。

当然了，不同语言有不同的解决方案。后面会有一篇文章为大家分享Kotlin是如何设计泛型和协变/逆变的，敬请期待~

Java泛型的协变与逆变