Java数组协变与范型不变性

变性是OOP语言不变的大坑，Java的数组协变就是其中的一口老坑。因为最近踩到了，便做一个记录。顺便也提一下范型的变性。

解释数组协变之前，先明确三个相关的概念，协变、不变和逆变。

一、协变、不变、逆变

假设，我为一家餐馆写了这样一段代码

class Soup<T> {
    public void add(T t) {}
}

class Vegetable { }

class Carrot extends Vegetable { }

有一个范型类Soup<T>，表示用食材T做的汤，它的方法add(T t)表示向汤中添加食材T。类Vegetable表示蔬菜，类Carrot表示胡萝卜。当然，Carrot是Vegetable的子类。

那么问题来了，Soup<Vegetable>和Soup<Carrot>之间是什么关系呢？

第一反应，Soup<Carrot>应该是Soup<Vegetable>的子类，因为胡萝卜汤显然是一种蔬菜汤。如果真是这样，那就看看下面的代码。其中Tomato表示西红柿，是Vegetable的另一个子类

Soup<Vegetable> soup = new Soup<Carrot>();
soup.add(new Tomato());

第一句没问题，Soup<Carrot>是Soup<Vegetable>的子类，所以可以将Soup<Carrot>的实例赋给变量soup。第二句也没问题，因为soup声明为Soup<Vegetable>类型，它的add方法接收一个Vegetable类型的参数，而Tomato是Vegetable，类型正确。

但是，两句放在一起却有了问题。soup的实际类型是Soup<Carrot>，而我们给它的add方法传递了一个Tomato的实例！换言之，我们在用西红柿做胡萝卜汤，肯定做不出来。所以，把Soup<Carrot>视为Soup<Vegetable>的子类在逻辑上虽然是通顺的，在使用过程中却是有缺陷的。

那么，Soup<Carrot>和Soup<Vegetable>究竟应该是什么关系呢？不同的语言有不同的理解和实现。总结起来，有三种情况。

（1）如果Soup<Carrot>是Soup<Vegetable>的子类，则称泛型Soup<T>是协变的
（2）如果Soup<Carrot>和Soup<Vegetable>是无关的两个类，则称泛型Soup<T>是不变的
（3）如果Soup<Carrot>是Soup<Vegetable>的父类，则称泛型Soup<T>是逆变的。（不过逆变不常见）

理解了协变、不变和逆变的概念，再看Java的实现。Java的一般泛型是不变的，也就是说Soup<Vegetable>和Soup<Carrot>是毫无关系的两个类，不能将一个类的实例赋值给另一个类的变量。所以，上面那段用西红柿做胡萝卜汤的代码，其实根本无法通过编译。

二、数组协变

Java中，数组是基本类型，不是泛型，不存在Array<T>这样的东西。但它和泛型很像，都是用另一个类型构建的类型。所以，数组也是要考虑变性的。

与泛型的不变性不同，Java的数组是协变的。也就是说，Carrot[]是Vegetable[]的子类。而上一节中的例子已经表明，协变有时会引发问题。比如下面这段代码

Vegetable[] vegetables = new Carrot[10];
vegetables[0] = new Tomato(); // 运行期错误

因为数组是协变的，编译器允许把Carrot[10]赋值给Vegetable[]类型的变量，所以这段代码可以顺利通过编译。只有在运行期，JVM真的试图往一堆胡萝卜中插入一个西红柿的时候，才发现大事不好。所以，上面的代码在运行期会抛出一个java.lang.ArrayStoreException类型的异常。

数组协变性，是Java的著名历史包袱之一。使用数组时，千万要小心！

如果把例子中的数组替换为List，情况就不同了。就像这样

ArrayList<Vegetable> vegetables = new ArrayList<Carrot>(); // 编译期错误
vegetables.add(new Tomato());

ArrayList是一个泛型类，它是不变的。所以，ArrayList<Carrot>和ArrayList<Vegetable>之间并无继承关系，这段代码在编译期就会报错。

两段代码虽然都会报错，但通常情况下，编译期错误总比运行期错误好处理一些。

三、当泛型也想要协变、逆变

泛型是不变的，但某些场景里我们还是希望它能协变起来。比如，有一个天天喝蔬菜汤减肥的小姐姐

class Girl {
    public void drink(Soup<Vegetable> soup) {}
}

我们希望drink方法可以接受各种不同的蔬菜汤，包括Soup<Carrot>和Soup<Tomato>。但受到不变性的限制，它们无法作为drink的参数。

要实现这一点，应该采用一种类似于协变性的写法

public void drink(Soup<? extends Vegetable> soup) {}

意思是，参数soup的类型是泛型类Soup<T>，而T是Vegetable的子类（也包括Vegetable自己）。这时，小姐姐终于可以愉快地喝上胡萝卜汤和西红柿汤了。

但是，这种方法有一个限制。编译器只知道泛型参数是Vegetable的子类，却不知道它具体是什么。所以，所有非null的泛型类型参数均被视为不安全的。说起来很拗口，其实很简单。直接上代码

public void drink(Soup<? extends Vegetable> soup) {
    soup.add(new Tomato()); // 错误
    soup.add(null); // 正确
}

方法内的第一句会在编译期报错。因为编译器只知道add方法的参数是Vegetable的子类，却不知道它具体是Carrot、Tomato、或者其他的什么类型。这时，传递一个具体类型的实例一律被视为不安全的。即使soup真的是Soup<Tomato>类型也不行，因为soup的具体类型信息是在运行期才能知道的，编译期并不知道。

但是方法内的第二句是正确的。因为参数是null，它可以是任何合法的类型。编译器认为它是安全的。

同样，也有一种类似于逆变的方法

public void drink(Soup<? super Vegetable> soup) {}

这时，Soup<T>中的T必须是Vegetable的父类。

这种情况就不存在上面的限制了，下面的代码毫无问题

public void drink(Soup<? super Vegetable> soup) {
    soup.add(new Tomato());
}

Tomato是Vegetable的子类，自然也是Vegetable父类的子类。所以，编译期就可以确定类型是安全的。