深入理解Java泛型、协变逆变、泛型通配符、自限定

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重写了之前博客写的泛型相关内容，全部整合到这一篇文章里了，把坑都填了，后续不再纠结这些问题了。本文深度总结了函数式思想、泛型对在Java中的应用，解答了许多比较难的问题。

• 纯函数
  
• 协变
  
• 逆变
  
• 泛型通配符
  
• PECS法则
  
• 自限定
  

Part 1: 协变与逆变

Java8 引入了函数式接口，从此方法传参可以传递函数了，有人说这是语法糖。
实际上，这是编程范式的转换，思想体系的变化。

一、纯函数—没有副作用

纯函数的执行不会带来对象内部参数、方法参数、数据库等的改变，这些改变都是副作用。比如Integer::sum是一个纯函数，输入为两个int，输出为两数之和，两个输入量不会改变，在Java 中可以申明为final int类型。
副作用的执行
Java对于不变类的约束明显不足，比如final array只能保证引用的指向不变，array内部的值还是可以改变的，如果存在第二个引用指向相同的array，那么将无法保证array不可变；标准库中的collection常用的还是属于可变mutable类型，可变类型在使用时很便利。
在函数式思想下，函数是一等公民，函数是有值的，比如Integer::sum就是函数类型BiFunction的一个值，没有副作用的函数保证了函数可以看做一个黑盒，一个固定的输入便有固定的输出。
那么Java中对象的方法是纯函数吗？
大多数时候不是。对象的方法受到对象的状态影响，如果对象的状态不发生改变，同时不对外部产生影响（比如打印字符串），可以看做纯函数。
本文之后讨论的函数都默认为纯函数。
二、协变—更抽象的继承关系

协变和逆变描述了继承关系的传递特性，协变比逆变更好理解。
协变的简单定义：如果A是B的子类，那么F(A)是F(B) 的子类。F表示的是一种类型变换。
比如：猫是动物，表示为Cat < Animal，那么一群猫是一群动物，表示为List[Cat] < List[Aniaml]。
上面的关系很好理解，在面向对象语言中，is-a表示为继承关系，即猫是动物的子类（subtype）。
所以，协变可以这样表示：
A < B ⇒ F(A) < F(B)
在猫的例子中，F表示集合。
那么如果F是函数呢？
我们定义函数F=Provider，函数的类型定义包括入参和出参，简单地考虑入参为空，出参为Animal和Cat的情况。简单理解为方法F定义为获取猫或动物。
那么Supplier作用Cat和Animal上，原来的类型关系保持吗？
答案是保持，Supplier[Cat] < Supplier[Animal]。也就是说获取一只猫就是获取一只动物。转换成面向对象的语言，Supplier[Cat]是Supplier[Animal]的子类。
在面向对象语言中，子类关系常常表现为不同类型之间的兼容。也就是说传值的类型必须为声明的类型的子类。如下面的代码是好的

1. List[User] users = List(user1, user2)
2. List[Animal] animals = cats
3. Supplier[Animal] supplierWithAnimal = supplierWithCat
4. // 使用Supplier[Animal],实际上得到的是Cat
5. Animal animal = supplierWithAnimal.get()

复制代码

我们来看下某百科对于里氏替换原则（LSP）的定义：

里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说，任何父类可以出现的地方，子类一定可以出现。 LSP是继承复用的基石，只有当子类可以替换掉父类，软件单位的功能不受到影响时，父类才能真正被复用，而子类也能够在父类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对“开-闭”原则的补充。实现“开-闭”原则的关键步骤就是抽象化。而子类与父类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。

Animal animal = new Cat(”kitty”);
在UML图中，一般父类在上，子类在下。因此，子类赋值到父类声明的过程可以形象地称为向上转型。
总结一下：协变是LSP的体现，形象的理解为向上转型。
三、逆变—难以理解的概念

与协变的定义相反，逆变可以这样表示：
A < B ⇒ F(B) < F(A)
最简单的逆变类是Consumer[T]，考虑Consumer[Fruit] 和 Consumer[Apple]。榨汁机就是一类Consumer，接受的是水果，输出的是果汁。我定义的函数accpt为了避免副作用，返回字符串，然后再打印。
下面我用scala写的示例，其比Java简洁一些，也是静态强类型语言。你可以使用网络上的 playground 运行(eg: scastie.scala-lang.org)。
[code]// scala 变量名在前，类型在后，函数返回类型在括号后，可以省略class Fruit(val name: String) {}class Apple extends Fruit("苹果") {}class Orange extends Fruit("橙子") {}// 榨汁机,T表示泛型，