深入理解Java泛型、協變逆變、泛型通配符、自限定

来源:https://www.cnblogs.com/dahua-dijkstra/archive/2023/04/20/17338184.html
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禁止轉載 重寫了之前博客寫的泛型相關內容，全部整合到這一篇文章里了，把坑都填了，後續不再糾結這些問題了。本文深度總結了函數式思想、泛型對在Java中的應用，解答了許多比較難的問題。 純函數 協變 逆變 泛型通配符 PECS法則 自限定 Part 1: 協變與逆變 Java8 引入了函數式介面，從此方 ...


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重寫了之前博客寫的泛型相關內容，全部整合到這一篇文章里了，把坑都填了，後續不再糾結這些問題了。本文深度總結了函數式思想、泛型對在Java中的應用，解答了許多比較難的問題。

  • 純函數
  • 協變
  • 逆變
  • 泛型通配符
  • PECS法則
  • 自限定

Part 1: 協變與逆變

Java8 引入了函數式介面，從此方法傳參可以傳遞函數了，有人說這是語法糖。

實際上，這是編程範式的轉換，思想體系的變化。

一、純函數—沒有副作用

純函數的執行不會帶來對象內部參數、方法參數、資料庫等的改變，這些改變都是副作用。比如Integer::sum是一個純函數，輸入為兩個int，輸出為兩數之和，兩個輸入量不會改變，在Java 中可以申明為final int類型。

副作用的執行

Java對於不變類的約束明顯不足，比如final array只能保證引用的指向不變，array內部的值還是可以改變的，如果存在第二個引用指向相同的array，那麼將無法保證array不可變；標準庫中的collection常用的還是屬於可變mutable類型，可變類型在使用時很便利。

在函數式思想下，函數是一等公民，函數是有值的，比如Integer::sum就是函數類型BiFunction<Integer, Integer, Integer>的一個值，沒有副作用的函數保證了函數可以看做一個黑盒，一個固定的輸入便有固定的輸出。

那麼Java中對象的方法是純函數嗎？

大多數時候不是。對象的方法受到對象的狀態影響，如果對象的狀態不發生改變，同時不對外部產生影響（比如列印字元串），可以看做純函數。

本文之後討論的函數都預設為純函數。

二、協變—更抽象的繼承關係

協變和逆變描述了繼承關係的傳遞特性，協變比逆變更好理解。

協變的簡單定義：如果A是B的子類，那麼F(A)是F(B) 的子類。F表示的是一種類型變換。

比如：貓是動物，表示為Cat < Animal，那麼一群貓是一群動物，表示為List[Cat] < List[Aniaml]。

上面的關係很好理解，在面向對象語言中，is-a表示為繼承關係，即貓是動物的子類（subtype）。

所以，協變可以這樣表示：

A < B ⇒ F(A) < F(B)

在貓的例子中，F表示集合。

那麼如果F是函數呢？

我們定義函數F=Provider，函數的類型定義包括入參和出參，簡單地考慮入參為空，出參為Animal和Cat的情況。簡單理解為方法F定義為獲取貓或動物。

那麼Supplier作用Cat和Animal上，原來的類型關係保持嗎？

答案是保持，Supplier[Cat] < Supplier[Animal]。也就是說獲取一隻貓就是獲取一隻動物。轉換成面向對象的語言，Supplier[Cat]是Supplier[Animal]的子類。

在面向對象語言中，子類關係常常表現為不同類型之間的相容。也就是說傳值的類型必須為聲明的類型的子類。如下麵的代碼是好的

List[User] users = List(user1, user2)
List[Animal] animals = cats
Supplier[Animal] supplierWithAnimal = supplierWithCat
// 使用Supplier[Animal],實際上得到的是Cat
Animal animal = supplierWithAnimal.get()

我們來看下某百科對於里氏替換原則（LSP）的定義：

里氏代換原則(Liskov Substitution Principle LSP)面向對象設計的基本原則之一。 里氏代換原則中說，任何父類可以出現的地方，子類一定可以出現。 LSP是繼承復用的基石，只有當子類可以替換掉父類，軟體單位的功能不受到影響時，父類才能真正被覆用，而子類也能夠在父類的基礎上增加新的行為。里氏代換原則是對“開-閉”原則的補充。實現“開-閉”原則的關鍵步驟就是抽象化。而子類與父類的繼承關係就是抽象化的具體實現，所以里氏代換原則是對實現抽象化的具體步驟的規範。

Animal animal = new Cat(”kitty”);

在UML圖中，一般父類在上，子類在下。因此，子類賦值到父類聲明的過程可以形象地稱為向上轉型。

總結一下：協變是LSP的體現，形象的理解為向上轉型。

三、逆變—難以理解的概念

與協變的定義相反，逆變可以這樣表示：

A < B ⇒ F(B) < F(A)

最簡單的逆變類是Consumer[T]，考慮Consumer[Fruit] 和 Consumer[Apple]。榨汁機就是一類Consumer，接受的是水果，輸出的是果汁。我定義的函數accpt為了避免副作用，返回字元串，然後再列印。

下麵我用scala寫的示例，其比Java簡潔一些，也是靜態強類型語言。你可以使用網路上的 playground 運行(eg: scastie.scala-lang.org)。

// scala 變數名在前，類型在後，函數返回類型在括弧後，可以省略
class Fruit(val name: String) {}

class Apple extends Fruit("蘋果") {}

class Orange extends Fruit("橙子") {}

// 榨汁機,T表示泛型，<:表示匹配上界（榨汁機只能榨果汁），-T 表示T支持逆變
class Juicer[-T <: Fruit] {
  def accept(fruit: T) = s"${fruit.name}汁"
}

val appleJuicer: Juicer[Apple] = Juicer[Fruit]()
println(appleJuicer.accept(Apple()))

// 編譯不通過，因為appleJuicer的類型是Juicer[Apple]
// 雖然聲明appleJuicer時傳遞的值是水果榨汁機，但是編譯器只做類型檢查，Juicer[Apple]類型不能接受其他水果
println(appleJuicer.accept(Orange()))

榨汁機 is-a 榨蘋果汁機，因為榨汁機可以榨蘋果。

逆變難以理解的點就在於逆變考慮的是函數的功能，而不是函數具體的參數。

參數傳參原則上都可以支持逆變，因為對於純函數而言，參數值並不可變。

再舉一個例子，Java8 中stream的map方法需要的參數就是一個函數：

// map方法聲明
<R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper);

// 此時方法的參數就是T，我們傳遞的mapper的入參可以為T的父類, 因為mapper支持參數逆變
// 如下程式可以運行
// 你可以對任意一個Stream<T>流使用map(Object::toString)，因為在Java中所有類都繼承自Object。
Stream.of(1, 2, 3).map(Object::toString).forEach(System.out::println);

問題可以再複雜一點，如果函數的參數為集合類型，還可以支持逆變嗎？

當然可以，如前所述，逆變考慮的是函數的功能，傳入一個更為一般的函數也可以處理具體的問題。

// Scala中可以使用 ::: 運算符合併兩個List, 下一行是List中對方法:::的聲明
// def ::: [B >: A](prefix: List[B]): List[B]
// 這個方法在Java很難實現，你可以看看ArrayList::addAll的參數, 然後想想曲線救國的方案，下一篇文章我會詳細討論

// usage
val list: List[Fruit] = List(Apple()) ::: (List(Fruit("水果")))
println(list)
// output: List(Playground$Apple@74046e99, Playground$Fruit@8f0fecd)

總結一下：函數的入參可以支持逆變，即參數的繼承關係和函數的繼承關係相反，逆變的函數更通用。

Part 2: 深入理解泛型

上次說到函數入參支持協變，出參支持逆變。那麼Java中是如何實現支持的？

一切都可以歸因於Java的前向相容，Java泛型是一個殘缺品，不過也可以解決大量的泛型問題。

Java中對象聲明並不支持協變和逆變，所以我們看到的函數介面聲明如下：

// R - Result
@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
    // 1. 函數式介面
    R apply(T t);

    // 2. compose 和 andThen 實現函數複合
    // compose 的入參函數 before 支持入參逆變,出參協變
    default <V> Function<V, R> compose(Function<? super V, ? extends T> before) {
        Objects.requireNonNull(before);
        return (V v) -> apply(before.apply(v));
    }

    default <V> Function<T, V> andThen(Function<? super R, ? extends V> after) {
        Objects.requireNonNull(after);
        return (T t) -> after.apply(apply(t));
    }

    // Java9 支持的靜態方法
    static <T> Function<T, T> identity() {
        return t -> t;
    }
}

Java中僅在使用時支持逆變與協變的匹配，可以在方法上使用通配符，也就是說，andThen方法接受的參數支持入參逆變、出參協變。不使用通配符則為不變，在IDEA中可以開啟通配符的提示，很有用，一般情況下，編寫時可以考慮不變，然後再考慮增加逆變與協變的支持。

但是Java中通配符使用了和繼承相關的super、 extends 關鍵字，而實際協變與逆變和繼承沒有關係。在scala中協變和逆變可以簡單地寫作+和-，比如聲明List[+T]。

通配符繼承了Java一貫的繁瑣，函數聲明更甚。函數的入參和出參都在泛型參數中，Function<T, R> 和 T → R 相比誰更簡潔一目瞭然。特別是定義高階函數（入參或出參為函數的函數）更為麻煩，比如一個簡單的加法：

// Java 中的聲明，可以這樣考慮：Function泛型參數的右邊為返回值
Function<Integer, Function<Integer, Integer>> add;
// 使用時連續傳入兩個參數
add.apply(1).apply(2);

// 其他語言
val add : Int -> Int -> Int = x -> y -> x + y
add(1)(2)

// 傳入 tuple 的等價形式 Java
Function<Tuple<Integer, Integer>, Integer> add = (x, y) -> x + y;
add.apply(new Tuple(1, 2));

BiFunction<Integer, Integer, Integer> add = (x, y) -> x + y;
add.apply(1, 2);

// 其他語言
val add: (Int, Int) -> Int = x + y
add(1, 2)

image

從上面可以看出，雖然實現的是相同的語義，Java對函數的支持還是有明顯不足的。沒有原生的Tuple類型，但是在使用時又可以使用 (x, y)。

話雖如此，畢竟可以實現相同的功能，豐富的類庫加之方法引用、lambda表達式等的存在，Java中使用函數式編程思想可以說是如虎添翼。

三人成虎

理解函數式思想實際上只需要瞭解三種函數式介面，生產者、函數、消費者。只有生產者和消費者可以有副作用，函數就是純函數。

Function<T, R>

public interface Supplier<T> {
    T get();
}

public interface Consumer<T> {
    void accept(T t);
		// 多次消費合併為一次
    default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after) {
        Objects.requireNonNull(after);
        return (T t) -> { accept(t); after.accept(t); };
    }
}

函數式編程將操作都通過鏈式調用連接起來。

Supplier → Func1 → … → Funcn → Consumer

比如stream流的整個生命周期，只消費一次。

// Stream
Stream.of("apple", "orange")
		.map(String::toUpperCase)
		.forEach(System.out::println);

// reactor, 簡單理解為stream++, 支持非同步 + 背壓
Flux.just(1, 2, 3, 4)
	  .log()
	  .map(i -> i * 2)
	  .zipWith(Flux.range(0, Integer.MAX_VALUE), 
	    (one, two) -> String.format("First Flux: %d, Second Flux: %d", one, two))
	  .subscribe(elements::add);

assertThat(elements).containsExactly(
	  "First Flux: 2, Second Flux: 0",
	  "First Flux: 4, Second Flux: 1",
	  "First Flux: 6, Second Flux: 2",
	  "First Flux: 8, Second Flux: 3");

常見的使用舉例

  1. Comparable

舉例來說，實現 集合類的sort方法，方法簽名如下：

// 最簡單的聲明
public static <T> void sort(Collection<T> col);

// 加入可比較約束，編譯器檢查：如果沒有實現Comparable,則編譯不通過
public static <T extends Comparable<T>> void sort(Collection<T> col);

// 使用通配符匹配更多使用場景，大多數類庫都是這樣聲明的，缺點是看起了比較繁瑣
// 其實只需要理解了函數的入參逆變，出參協變的準則，關註extends、super後面的類型即可理解
public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(Collection<T> col);
  1. Stream

這個方法聲明在Stream介面中，可以把Stream<Stream>展開。

public interface Stream<T> extends BaseStream<T, Stream<T>> {

		Stream<T> filter(Predicate<? super T> predicate);

		<R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper);

		// flatMap 把 Stream<Stream<T>> 展開,也有叫 bind 的。
		<R> Stream<R> flatMap(Function<? super T, ? extends Stream<? extends R>> mapper);
}

可以看看flatMap中mapper的返回類型，完美遵循出參協變和集合類支持協變的特性。

你看，本來Stream就應該支持協變，現在只能在使用時（方法聲明時）使用通配符表示

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