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Kotlin 初识泛型型变

相信有很多初学者对 Kotlin 中的泛型型变都是一知半解，泛型型变概念太多了，而且每个概念和后面都是相关的，只要前面有一个地方未理解后面的难点更是越来越看不懂。Kotlin 的泛型比 Java 中的泛型多了一些新的概念，比如子类型化关系、逆变、协变、星投影的。个人认为学好 Kotlin 的泛型主要有这么几个步骤:

  • 深入理解泛型中每个小概念和结论，最好能用自己的话表述出来；
  • 通过分析 Kotlin 中的相关源码验证你的理解和结论；
  • 通过实际的例子巩固你的理解。

1. 泛型为什么会存在型变？​

首先，我们需要明确两个名词概念: 基础类型和实参类型。例如对于 List<String>, List 就是基础类型而这里的 String 就是实参类型。

然后，我们需要明确一下，这里的型变到底指的是什么？可以先大概描述一下，它反映的是一种特殊类型的对应关系规则。是不是很抽象？

那就先来看个例子，例如 List<String>和List<Any> 他们拥有相同的基础类型，实参类型 String 和 Any 存在父子关系，那么是不是 List<String> 和 List<Any> 是否存在某种对应关系呢？实际上，我们讨论的型变也就是围绕着这种场景展开的。有了上面的认识，进入正题为什么需要这种型变关系呢？来看对比的例子，我们需要向一个函数中传递参数。

fun main(args: Array<String>) {
    val stringList: List<String> = listOf("a", "b", "c", "d")
    val intList: List<Int> = listOf(1, 2, 3, 4)
    printList(stringList)//向函数传递一个List<String>函数实参,也就是这里List<String>是可以替换List<Any>
    printList(intList)//向函数传递一个List<Int>函数实参,也就是这里List<Int>是可以替换List<Any>
}

fun printList(list: List<Any>) {
//注意：这里函数形参类型是List<Any>,函数内部是不知道外部传入是List<Int>还是List<String>,全部当做List<Any>处理
    list.forEach {
        println(it)
    }
}

上述操作是合法的，运行结果如下：

图片描述

如果我们上述的函数形参 List<Any> 换成 MutableList<Any> 会变成什么样呢？

fun main(args: Array<String>) {
    val stringList: MutableList<String> = mutableListOf("a", "b", "c", "d")
    val intList: MutableList<Int> = mutableListOf(1, 2, 3, 4)
    printList(stringList)//这里实际上是编译不通过的
    printList(intList)//这里实际上是编译不通过的
}

fun printList(list: MutableList<Any>) {
    list.add(3.0f)//开始引入危险操作dangerous! dangerous! dangerous!
    list.forEach {
        println(it)
    }
}

图片描述

我们来试想下，利用反证法验证下，假如上述代码编译通过了，会发生什么，就会发生下面的可能出现类似的危险操作。就会出现一个 Int 或者 String 的集合中引入其他的非法数据类型，所以肯定是有问题的，故编译不通过。

因为我们说过在函数的形参类型 MutableList<Any> 在函数内部它只知道是该类型也不知道外部给它传了个啥，所以它只能在内部按照这个类型规则来，所以在函数内部 list.add(3.0f) 这行代码时编译通过的，向一个 MutableList<Any> 集合加入一个 Float 类型明显说得过去的。

通过对比上面两个例子，大家有没有思考一个问题就是为什么 List<String>、List<Int>替换List<Any> 可以，而 MutableList<String>、MutableList<Int>替换MutableList<Any> 不可以呢？

实际上问题所说的类型替换其实就是型变 , 那大家到这就明白了为什么会存在型变了，型变更为了泛型接口更加安全，假如没有型变，就会出现上述危险问题。

那另一问题来了为什么有的型变关系可以，有的不可以呢？对于传入集合内部不会存在修改添加其元素的操作 (只读)，是可以支持外部传入更加具体类型实参是安全的，而对于集合内部存在修改元素的操作 (写操作) 是不安全的，所以编译器不允许。

以上面例子分析，List<Any> 实际上一个只读集合 (注意：它和 Java 中的 List 完全不是一个东西，注意区分)，它内部不存在 add,remove 操作方法，不信的可以看下它的源码，所以以它为形参的函数就可以敞开大门大胆接收外部参数，因为不存在修改元素操作所以是安全的，所以第一个例子是编译 OK 的；

而对于 MutableList<Any> 在 Kotlin 中它是一个可读可写的集合，相当于 Java 中的 List, 所以它的内部存在着修改、删除、添加元素的危险操作方法，所以对于外部传入的函数形参它需要做严格检查必须是 MutableList<Any> 类型。

为了帮助理解和记忆，自己绘制了一张独具风趣的漫画图帮助理解，这张图很重要以致于后面的协变、逆变、不变都可以从它获得理解。后面也会不断把它拿出来分析

图片描述

最后为了彻底把这个问题分析透彻可以给大家看下 List<E> 和 MutableList<E> 的部分源码

图片描述

public interface List<out E> : Collection<E> {
    // Query Operations
    override val size: Int

    override fun isEmpty(): Boolean
    override fun contains(element: @UnsafeVariance E): Boolean
    override fun iterator(): Iterator<E>

    // Bulk Operations
    override fun containsAll(elements: Collection<@UnsafeVariance E>): Boolean
    
    ...
  }

图片描述

public interface MutableList<E> : List<E>, MutableCollection<E> {
    // Modification Operations
    override fun add(element: E): Boolean

    override fun remove(element: E): Boolean

    // Bulk Modification Operations
    override fun addAll(elements: Collection<E>): Boolean
    ...
 }

仔细对比下 List<out E> 和 MutableList<E> 泛型定义是不一样的，他们分别对应了协变和不变 , 至于什么是协变什么是逆变什么不变，我们后面会详细讲。

2. 子类、子类型、超类型概念梳理​

我们一般说子类就是派生类，该类一般会继承它的超类。例如: class Student: Person(), 这里的 Student 一般称为 Person 的子类，Person 是 Student 的超类。

而子类型和超类型定义则完全不一样，我们从上面类和类型区别就知道一个类可以有很多类型，那么子类型不仅仅是想子类那样继承关系那么严格。

子类型定义的规则一般是这样的： 任何时候如果需要的是 A 类型值的任何地方，都可以使用 B 类型的值来替换的，那么就可以说 B 类型是 A 类型的子类型或者称 A 类型是 B 类型的超类型。可以明显看出子类型的规则会比子类规则更为宽松。那么我们可以一起分析下面几个例子：

图片描述

Tips：某个类型也是它自己本身的子类型，很明显 Person 类型的值任意出现地方，Person 肯定都是可以替换的。属于子类关系的一般也是子类型关系。像 String 类型值肯定不能替代 Int 类型值出现的地方，所以它们不存在子类型关系

再来看个例子，所有类的非空类型都是该类对应的可空类型的子类型，但是反过来说就不行，就比如 Person 非空类型是 Person? 可空类型的子类型，很明显嘛，任何 Person? 可空类型出现值的地方，都可以使用 Person 非空类型的值来替换。

其实这些我在开发过程中是可以体会得到的，比如细心的同学就会发现，我们在 Kotlin 开发过程，** 如果一个函数接收的是一个可空类型的参数，调用的地方传入一个非空类型的实参进去是合法的。** 但是如果一个函数接收的是非空类型参数，传入一个可空类型的实参编译器就会提示你，可能存在空指针问题，需要做非空判断。因为我们知道非空类型比可空类型更安全。来幅图理解下：

图片描述

3. 什么是子类型化关系​

相信到了这，大家应该自己都能猜出什么是子类型化关系吧？它是实际上就是我们上面所讲的那些。

3.1 子类型化关系​

大致概括一下: 如果 A 类型的值在任何时候任何地方出现都能被 B 类型的值替换，B 类型就是 A 类型的子类型，那么 B 类型到 A 类型之间这种映射替换关系就是子类型化关系

3.2 回答最开始的问题​

现在我们也能用 Kotlin 中较为专业的术语子类型化关系来解释最开始那个问题为什么以 List<String>,List<Int> 类型的函数实参可以传递给 List<Any> 类型的函数形参，而 MutableList<String>,MutableList<Int> 类型的函数实参不可以传递给 MutableList<Any> 类型的函数形参？

因为 List<String>,List<Int> 类型是 List<Any> 类型的子类型，所以 List<Any> 类型值出现的地方都可以使用 List<String>,List<Int> 类型的值来替换。而 MutableList<String>,MutableList<Int> 类型不是 MutableList<Any> 的子类型也不是它的超类型，所以当然就不能替换了。

3.2 由上面回答引出一个细节点​

仔细分析观察下上面所说的，List<String>,List<Int> 类型是 List<Any> 类型的子类型，然后再细看针对都具有相同的 List 这个基础类型的泛型参数类型对应关系，这里的 String,Int 类型是 Any 类型的子类型 (注意：我们在泛型中都应该站在类型和子类型的角度来看问题，不要在局限于类和子类继承层面啊，这点很重要，因为 List<String> 还是 List<String?> 子类型呢，所以和继承层面子类没有关系)，然后 List<String>,List<Int> 类型也是 List<Any> 类型的子类型，这种关系叫做保留子类型化关系，也就是所谓的协变。具体下篇文章着重分析。

4. 总结​

本篇文章可以说是下篇文章的一个概念理解的基础，下篇很多高级的概念和原理都是在这篇文章延伸的，建议好好消化这些概念，这里最后再着重强调一下：一定需要好好理解什么是子类型，它和子类有什么区别。实际上 Kotlin 中的泛型型变的基础就是子类型化关系，一般在这我们都是站在类型和子类型角度分析关系，而不是简单的类和子类继承层面。还有就是有没有思考过为什么要弄这么一套复杂的型变关系，其实仔细想想就为了泛型类操作和使用更加安全，避免引入一些存在危险隐患。下篇文章就是泛型中的高级概念，其中包括泛型协变、逆变等，只要把这篇文章概念理解清楚了后面会很简单的。