文 | 歐陽(yáng)鋒

Kotlin語(yǔ)言的泛型設(shè)計(jì)很有意思屿讽，但并不容易看懂勇哗。關(guān)于這個(gè)部分的官方文檔铺敌，我反復(fù)看了好幾次烫罩，終于弄明白Kotlin語(yǔ)言泛型設(shè)計(jì)的背后哲學(xué)刽射。這篇文章將講述Kotlin泛型設(shè)計(jì)的整個(gè)思考過(guò)程及其背后的哲學(xué)思想屈芜，希望可以解答你心中的疑問(wèn)拍棕。不過(guò)揪荣，可以預(yù)見(jiàn)地宇葱，即使看完瘦真，你也未必完全明白這篇文章在說(shuō)什么，但至少希望你通過(guò)這篇文章可以快速掌握Kotlin泛型的用法黍瞧。

Kotlin泛型的設(shè)計(jì)初衷

我們認(rèn)為诸尽，Kotlin是一門(mén)比Java更優(yōu)秀的JVM編程語(yǔ)言，Kotlin泛型設(shè)計(jì)的初衷就是為了解決Java泛型設(shè)計(jì)中一些不合理的問(wèn)題印颤。這樣說(shuō)可能不夠直觀您机，看下面這個(gè)例子：

 List<String> strs = new ArrayList<>();
// 這里將導(dǎo)致編譯錯(cuò)誤，Java語(yǔ)言不允許這樣做
 List<Object> objs = strs;

很明顯年局，String和Object之間存在著安全的隱式轉(zhuǎn)換關(guān)系际看。存放字符串的集合應(yīng)該可以自由轉(zhuǎn)換為對(duì)象集合。這很合理矢否，不是嗎仲闽？

如果你這樣認(rèn)為的話，就錯(cuò)了僵朗！繼續(xù)往下看赖欣，我們擴(kuò)展這個(gè)程序：

List<String> strs = new ArrayList<>();
List<Object> objs = strs;
objs.add(1);

String s = strs.get(0);

很明顯屑彻，這不合理！我們?cè)诘谝粋€(gè)位置存入了整型數(shù)值1顶吮，卻在取的時(shí)候?qū)⑺?dāng)成了字符串社牲。strs本身是一個(gè)字符串集合，用字符串接收讀取的數(shù)據(jù)的邏輯是合理的悴了。卻因?yàn)殄e(cuò)誤的類型轉(zhuǎn)換導(dǎo)致了不安全寫(xiě)入出現(xiàn)了運(yùn)行時(shí)類型轉(zhuǎn)換問(wèn)題膳沽，因此，Java語(yǔ)言不允許我們這樣做让禀。

大多數(shù)情況下，這種限制沒(méi)有問(wèn)題陨界⊙沧幔可是，在某些情況下菌瘪，這并不合理腮敌。看下面的例子：

interface List<T> {
    void addAll(List<T> t);
}

public void copy(List<String> from, List<Object> to) {
   to.addAll(from);
}

這是一個(gè)類型絕對(duì)安全的操作俏扩，但在Java語(yǔ)言中這依然是不允許的糜工。原因是，泛型是一個(gè)編譯期特性录淡，一旦指定捌木，運(yùn)行期類型就已經(jīng)固定了。換而言之嫉戚，泛型操作的類型是不可變的刨裆。這就意味著，List<String>并不是List<Object>的子類型彬檀。

為了允許正確執(zhí)行上述操作帆啃，Java語(yǔ)言增加了神奇的通配符操作魔法。

interface List<T> {
  void addAll(List<? extends T> t);
}

? extends T意味著集合中允許添加的類型不僅僅是T還包括T的子類窍帝，但這個(gè)集合中可以添加的類型在集合參數(shù)傳入addAll時(shí)就已經(jīng)確定了努潘。因此，這并不影響參數(shù)集合中可以存放的數(shù)據(jù)類型坤学，它帶來(lái)的一個(gè)直接影響就是addAll方法參數(shù)中終于可以傳入泛型參數(shù)是T或者T的子類的集合了疯坤，即上面的copy方法將不再報(bào)錯(cuò)。

這很有意思拥峦，在使用通配符之前我們并不能傳入類型參數(shù)為子類型的集合贴膘。使用通配符之后，居然可以了略号！這個(gè)特性在C#被稱之為協(xié)變（covariant）刑峡。

協(xié)變這個(gè)詞來(lái)源于類型之間的綁定洋闽。以集合為例，假設(shè)有兩個(gè)集合L1突梦、L2分別綁定數(shù)據(jù)類型F诫舅、C，并且F宫患、C之間存在著父子關(guān)系刊懈，即F、C之間存在著一種安全的從C->F的隱式轉(zhuǎn)換關(guān)系娃闲。那么虚汛，集合L1和L2之間是否也存在著L2->L1的轉(zhuǎn)換關(guān)系呢？這就牽扯到了原始類型轉(zhuǎn)換到綁定類型的集合之間的轉(zhuǎn)換映射關(guān)系皇帮，我們稱之為“可變性”卷哩。如果原始類型轉(zhuǎn)換和綁定類型之間轉(zhuǎn)換的方向相同，就稱之為“協(xié)變”属拾。

用一句話總結(jié)協(xié)變：如果綁定對(duì)象和原始對(duì)象之間存在著相同方向的轉(zhuǎn)換關(guān)系将谊，即稱之為協(xié)變。

PS：以上關(guān)于協(xié)變的概念來(lái)自筆者的總結(jié)渐白，更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)母拍钫?qǐng)參考C#官方文檔尊浓。

文章開(kāi)頭我們將不可變泛型通過(guò)通配符使其成為了可變泛型參數(shù)，現(xiàn)在我們知道這種行為叫做協(xié)變纯衍。很明顯栋齿，協(xié)變轉(zhuǎn)換中寫(xiě)入是不安全的。因此襟诸，協(xié)變行為僅僅用于讀取褒颈。如果需要寫(xiě)入怎么辦呢？這就牽扯到了另外一個(gè)概念逆變（contravariance）励堡。

逆變與協(xié)變恰恰相反谷丸，即如果F、C之間存在著父子轉(zhuǎn)換關(guān)系应结，L1刨疼、L2之間存在著從L1->L2的轉(zhuǎn)換關(guān)系。其綁定對(duì)象的轉(zhuǎn)換關(guān)系與原始對(duì)象的轉(zhuǎn)換關(guān)系恰好相反鹅龄。Java語(yǔ)言使用關(guān)鍵字super（揩慕？super List）實(shí)現(xiàn)逆變。

舉個(gè)例子：假設(shè)有一個(gè)集合List<? super String>扮休，你將可以安全地使用add(String)或set(Int迎卤，String)方法。但你不能通過(guò)get(Int)返回String對(duì)象玷坠，因?yàn)槟銦o(wú)法確定返回的對(duì)象是否是String類型蜗搔，你最終只能得到Object劲藐。

因此，我們認(rèn)為樟凄，逆變可以安全地寫(xiě)入數(shù)據(jù)聘芜，但并不能安全地讀取，即最終不能獲取具體的對(duì)象數(shù)據(jù)類型缝龄。

為了簡(jiǎn)化理解汰现，我們引入官方文檔中 Joshua Bloch：

Joshua Bloch calls those objects you only read from Producers, and those you only write to Consumers. He recommends: "For maximum flexibility, use wildcard types on input parameters that represent producers or consumers"說(shuō)的一句話。

Joshua Bloch是Java集合框架的創(chuàng)始人叔壤，他把那些只能讀取的對(duì)象叫做生產(chǎn)者瞎饲；只能寫(xiě)入的對(duì)象叫做消費(fèi)者。為了保證最大靈活性炼绘，他推薦在那些代表了生產(chǎn)者和消費(fèi)者的輸入?yún)?shù)上使用通配符指定泛型企软。

相對(duì)于Java的通配符，Kotlin語(yǔ)言針對(duì)協(xié)變和逆變引入兩個(gè)新的關(guān)鍵詞out和in饭望。

out用于協(xié)變，是只讀的形庭，屬于生產(chǎn)者铅辞，即用在方法的返回值位置。而in用于逆變萨醒，是只寫(xiě)的斟珊，屬于消費(fèi)者，即用在方法的參數(shù)位置富纸。

用英文簡(jiǎn)記為：POCI = Producer Out , Consumer In囤踩。

如果一個(gè)類中只有生產(chǎn)者，我們就可以在類頭使用out聲明該類是對(duì)泛型參數(shù)T協(xié)變的：

interface Link<out T> {
    fun node(): T
}

同樣地晓褪，如果一個(gè)類中只有消費(fèi)者堵漱，我們就可以在類頭使用in聲明該類是對(duì)泛型參數(shù)T逆變的：

interface Repo<in T> {
    fun add(t: T)
}

out等價(jià)于Java端的? extends List通配符，而in等價(jià)于Java端的? super List通配符涣仿。因此勤庐，類似下面的轉(zhuǎn)換是合理的：

interface Link<out T> {
    fun node(): T
}

fun f1(linkStr: Link<String>) {
    // 這是一個(gè)合理的協(xié)變轉(zhuǎn)換
    val linkAny: Link<Any> = linkStr
}

interface Repo<in T> {
    fun add(t: T)
}

fun f2(repoAny: Repo<Any>) {
    // 這是一個(gè)合理的逆變轉(zhuǎn)換
    val repoStr: Repo<String> = repoAny
}

小結(jié)：協(xié)變和逆變

協(xié)變和逆變對(duì)于Java程序員來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的概念，為了便于理解好港，我用一個(gè)表格做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)：

類型投影

在上面的例子中愉镰，我們直接在類體聲明了泛型參數(shù)的協(xié)變或逆變類型。在這種情況下钧汹，就嚴(yán)格限制了該類中只允許出現(xiàn)該泛型參數(shù)的消費(fèi)者或者生產(chǎn)者丈探。很顯然，這種場(chǎng)景并不多見(jiàn)拔莱，大多數(shù)情況下碗降，一個(gè)類中既存在著消費(fèi)者又存在著生產(chǎn)者隘竭。為了適應(yīng)這種場(chǎng)景，我們可以將協(xié)變或逆變聲明寫(xiě)在方法參數(shù)中遗锣。Kotlin官方將這種方式叫做 類型投影（Type Projection）货裹。

這里我們直接使用官方文檔的例子：

class Array<T>(val size: Int) {
    fun get(index: Int): T { /* ... */ }
    fun set(index: Int, value: T) { /* ... */ }
}

fun copy(from: Array<Any>, to: Array<Any>) {
    assert(from.size == to.size)
    for (i in from.indices)
        to[i] = from[i]
}

val ints: Array<Int> = arrayOf(1, 2, 3)
val any = Array<Any>(3) { "" } 

// 由于泛型參數(shù)的不變性，這里將出現(xiàn)問(wèn)題
copy(ints, any) 

很明顯精偿，我們希望from參數(shù)可以接收元素為Any或其子類的任意元素弧圆，但我們并不希望修改from，以防止出現(xiàn)類似文章開(kāi)頭的問(wèn)題笔咽。因此搔预，我們可以在from參數(shù)中添加out修飾，使其協(xié)變：

fun copy(from: Array<out Any>, to: Array<Any>) {
}

一旦添加out修飾符叶组，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)拯田，當(dāng)你嘗試調(diào)用set方法的時(shí)候，編譯器將會(huì)提示你在out修飾的情況下禁止調(diào)用該方法甩十。

注：Java語(yǔ)言在使用”協(xié)變“的情況下船庇，from參數(shù)依然可以調(diào)用set方法。從這里可以看出侣监，Kotlin語(yǔ)言在泛型安全控制上比Java更加精細(xì)鸭轮。

星號(hào)投影

除了上述明確的類型投影方式之外，還有一種非常特殊的投影方式橄霉，稱之為星號(hào)投影（star projection）窃爷。

在某些情況下，我們并不知道具體的類型參數(shù)信息姓蜂。為了適應(yīng)這種情況按厘，Java語(yǔ)言中我們會(huì)直接忽略掉類型參數(shù)：

class Box<T> {
     public void unPack(T t) {
          ...
     }
}

// 在不確定類型參數(shù)的情況下，我們會(huì)這樣做
Box box = new Box();

在Kotlin語(yǔ)言中钱慢，我們使用星號(hào)對(duì)這種情況進(jìn)行處理逮京。因?yàn)椋琄otlin針對(duì)泛型有嚴(yán)格的讀寫(xiě)區(qū)分束莫。同樣地造虏，使用*號(hào)將限制泛型接口的讀寫(xiě)操作：

• Foo<out T: TUpper>，這種情況下麦箍，T是協(xié)變類型參數(shù)漓藕，上邊界是TUpper。Foo<*>等價(jià)于Foo<out TUpper>挟裂，這意味著你可以安全地從Foo<*>讀取TUpper類型享钞。
• Foo<in T>，在這種情況下，T是逆變類型參數(shù)栗竖，下邊界是T暑脆。Foo<*>等價(jià)于Foo<in Nothing>，這意味著在T未知的情況下狐肢，你將無(wú)法安全寫(xiě)入Foo<*>添吗。
• Foo<T: TUpper>，在這種情況下份名，T是不可變的碟联。Foo<*>等價(jià)于你可以使用Foo<out TUpper>安全讀取值，寫(xiě)入等價(jià)于Foo<in Nothing>僵腺，即無(wú)法安全寫(xiě)入鲤孵。

泛型約束

在泛型約束的控制上，Kotlin語(yǔ)言相對(duì)于Java也技高一籌辰如。在大多數(shù)情況下普监，泛型約束需要指定一個(gè)上邊界。這同Java一樣琉兜，Kotlin使用冒號(hào)代替extends：

fun <T: Animal> catch(t: T) {}

在使用Java的時(shí)候凯正，經(jīng)常碰到這樣一個(gè)需求。我希望泛型參數(shù)可以約束必須同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)接口豌蟋，但遺憾的是Java語(yǔ)言并沒(méi)有給予支持廊散。令人驚喜的是，Kotlin語(yǔ)言對(duì)這種場(chǎng)景給出了自己的實(shí)現(xiàn)：

fun <T> swap(first: List<T>, second: List<T>) where T: CharSequence, 
                                                    T: Comparable<T> {
    
} 

可以看到夺饲，Kotlin語(yǔ)言使用where關(guān)鍵字控制泛型約束存在多個(gè)上邊界的情況，此處應(yīng)該給Kotlin鼓掌施符。

總結(jié)

Kotlin語(yǔ)言使用協(xié)變和逆變來(lái)規(guī)范可變泛型操作往声，out關(guān)鍵字用于協(xié)變，代表生產(chǎn)者戳吝。in關(guān)鍵字用于逆變浩销，代表消費(fèi)者。out和in同樣可以用于方法參數(shù)的泛型聲明中听哭，這稱之為類型投影慢洋。在針對(duì)泛型類型約束的處理上，Kotlin增加了多個(gè)上邊界的支持陆盘。

Kotlin語(yǔ)言最初是希望成為一門(mén)編譯速度比Scala更快的JVM編程語(yǔ)言普筹！為了更好地設(shè)計(jì)泛型，我們看到它從C#中引入了協(xié)變和逆變的概念隘马。這一次太防，我想，它至少同時(shí)站在了Scala和C#的肩膀上酸员。

我是歐陽(yáng)鋒蜒车，關(guān)于逆變和協(xié)變的故事讳嘱，我還沒(méi)有說(shuō)完...