Kotlin与Java 泛型缺陷和应用场景详解

引言

全文分为 视频版 和 文字版

• 文字版： 文字侧重细节和深度，有些知识点，视频不好表达，文字描述的更加准确
• 视频版： 视频会更加的直观，看完文字版，在看视频，知识点会更加清楚

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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 、 ? super 、 out 、 in 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 、 ? super 、 out 、 in 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（ List 、 Set 、 Map 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 Int 、 Float 、 Double 、 Number，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（ Int 、 Float 、 Double 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 Int 、 Float 、 Double 是 Number 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。

这也就说明了泛型是不可变的，IDE 认为 ArrayList<Integer> 不是 List<Number> 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 Integer 是 Number 的子类型，但是 Integer 加逆变通配符之后，Number 是 ? super Integer 的子类，如下图所示。

• 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。

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。

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。

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

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

传入参数 Collection<? extends E> 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

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

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 T 和 E，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 T 、 E 、 K 、 V 等等，它们分别应用在不同的场景。