Scala类型参数中协变(+)、逆变（-）、类型上界(<:)和类型下界(>:)的使用

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有位je上的同学来短信向我问起了Scala类型参数中协变、逆变、类型上界和类型下界的使用方法和原理，自己虽然也刚学不久，在主要调查了《Programing in Scala》的19章后，试着在下面做一个总结。如有错误之处还请各位指正。

先说说协变和逆变（实际上还有非变）。协变和逆变主要是用来解决参数化类型的泛化问题。由于参数化类型的参数（参数类型）是可变的，当两个参数化类型的参数是继承关系（可泛化），那被参数化的类型是否也可以泛化呢？Java中这种情况下是不可泛化的，然而Scala提供了三个选择，即协变、逆变和非变。下面说一下三种情况的含义，首先假设有参数化特征Queue，那它可以有如下三种定义。 
1）trait Queue[T] {} 
这是非变情况。这种情况下，当类型S是类型A的子类型，则Queue[S]不可认为是Queue[A]的子类型或父类型，这种情况是和Java一样的。

2）trait Queue[+T] {} 
这是协变情况。这种情况下，当类型S是类型A的子类型，则Queue[S]也可以认为是Queue[A}的子类型，即Queue[S]可以泛化为Queue[A]。也就是被参数化类型的泛化方向与参数类型的方向是一致的，所以称为协变。

3）trait Queue[-T] {} 
这是逆变情况。这种情况下，当类型S是类型A的子类型，则Queue[A]反过来可以认为是Queue[S}的子类型。也就是被参数化类型的泛化方向与参数类型的方向是相反的，所以称为逆变。

接着看一个例子。

1. package fineqtbull.customer
2. //出版物类
3. class Publication(val title: String)
4. //书籍类
5. class Book(title: String) extends Publication(title)
6. //图书库类
7. object Library {
8. //定义图书库内所有的书籍
9. val books: Set[Book] =
10. Set(
11. new Book("Programming in Scala"),
12. new Book("Walden")
13. )
14. //打印所有图书内容，使用外部传入的函数来实现
15. def printBookList(info: Book => AnyRef) {
16. //确认Scala中一个参数的函数实际上是Function1特征的实例
17. assert(info.isInstanceOf[Function1[_, _]])
18. //打印
19. for (book <- books)
20. println(info(book))
21. }
22. //打印所有图书内容，使用外部传入的GetInfoAction特征的实例来实现
23. def printBokkListByTrait[P >: Book, R <: AnyRef](
24. action : GetInfoAction[P, R]) {
25. //打印
26. for (book <- books)
27. println(action(book))
28. }
29. }
30. //取得图书内容特征，P类型参数的类型下界是Book，R类型参数的类型上界是AnyRef
31. trait GetInfoAction[P >: Book, R <: AnyRef] {
32. //取得图书内容的文本描述，对应（）操作符
33. def apply(book : P) : R
34. }
35. //单例对象，文件的主程序
36. object Customer extends Application {
37. //定义取得出版物标题的函数
38. def getTitle(p: Publication): String = p.title
39. //使用函数来打印
40. Library.printBookList(getTitle)
41. //使用特征GetInfoAction的实例来打印
42. Library.printBokkListByTrait(new GetInfoAction[Publication, String] {
43. def apply(p: Publication) : String = p.title })
44. }

上例的Library单例对象的printBookList方法使用了函数来取得书籍的内容。在Scala中函数也是对象，上述情况下的函数有一个参数，实际上该参数是如下特征的实例。

1. trait Function1[-S, +T] {
2. def apply(x: S): T
3. }

printBookList的info参数是Function1类型，而 Function1的-S类型参数是逆变，+T参数是协变。printBookList方法的assert(info.isInstanceOf[Function1[_, _]])语句可以验证这一点。从printBookList方法的定义可以知道，info的S类型参数是Book，T类型参数是AnyRef。然而主函数中使用处则是Library.printBookList(getTitle)，getTitle函数中对应的S是Publication，T是String。为什么可以与printBookList原来的定义不一致呢，这就是协变和逆变的威力了。由于-S是逆变，而Publication是Book的父类，所以Publication可以代替（泛化为）Book。由于+T是协变，而String是AnyRef的子类，所以String可以代替（泛化为）AnyRef。如此一来，主程序的语句也就完全正确了。

接下来说说类型的上界和下界，它们的含义如下。

1） U >: T

这是类型下界的定义，也就是U必须是类型T的父类(或本身，自己也可以认为是自己的父类)。

2) S <: T

这是类型上界的定义，也就是S必须是类型T的子类（或本身，自己也可以认为是自己的子类)。

接着使用前面的例子来说明>:和<:的使用方法。printBokkListByTrait方法实现了与printBookList相同的功能，但它是通过传入特征对象来实现的。也就是说，new GetInfoAction[Publication, String] {}和def getTitle(p: Publication): String是等价的，而GetInfoAction定义中使用>:和<:来代替了Function1中+和-。那是由于>:使得Publication可以代替Book，由于<:使得String可以代替AnyRef。

那么为什么Function1中的S是逆变而T是协变呢，那是由apply方法的格式而起的。apply方法的参数类型是S决定了S一定是逆变，而返回类型是T则决定了T是协变，这也是Scala语言的强制规定。

我们再来刨根问底一下，那么为什么Scala要有这种规定呢？这实际上和Liskov代替原理有关，它规定T类型是U类型的子类条件是，在U对象出现的所有地方都可以用T对象来代替。同时对于U和T中相同的方法定义，还必须保证T的参数类型需求的比较少，而T的返回类型提供得比较多。从本文的类子来看，参数类型Publication是Book的父类，所以需求的就比Book少；而返回类型String是AnyRef的子类，所提供的就比AnyRef多。以上就是def getTitle(p: Publication): String可以替代info: Book => AnyRef的原因，也是Scala定义协变和逆变规则的理论基础。

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