浅谈Java中的桥接方法与泛型的逆变和协变

时间：2022-10-07 11:26:51|栏目：JAVA代码|点击：次

1. 泛型的协变

1.1 泛型协变的使用

当我们有一个有方法，方法的签名定义成为如下的方式

public static void test(List<Number> list)

这时，如果我们想要给test方法传入一个List<Double>或者是List<Integer>可以吗？很显然不行，因为传递参数，肯定是要传递它的子类才行，但是List<Double>或者是List<Integer>是它的子类吗？很明显不是，这时我们就需要用到泛型的协变。

我们将方法的参数变成如下的这种形式

public static void test(List<? extends Number> list)

这时，我们的泛型，就只需要传入一个是Number的子类型的泛型即可。因为Integer和Double，它们都是Number的子类，因此很明显是合法的。

test(new ArrayList<Integer>());
test(new ArrayList<Double>());

在test方法中：

1.如果我们想要去获取集合当中的某个元素时，因为约定了元素的所有类型都得是Number类型极其子类的，因此我们获取的元素一定可以用它们的共同父类Number去进行接收。
2.但是当我们想要往集合当中添加元素时，竟然无法往list当中添加元素？奇奇怪怪的！而且关键我们的list，只要求元素的类型是Number或者它的子类类型。但是我们加入的是1，是个Intger类型，很明显是符合规范的呀！

    public static void test(List<? extends Number> list) {
        Number number = list.get(0);  // right
        list.add(1); // error
    }

1.2 泛型协变存在的问题

泛型的协变，不能让我们往集合当中添加元素。那么为什么不能添加呢？

要知道为什么，我们首先需要了解Java当中桥接方法的来由。

1.2.1 Java当中桥接方法的来由

我们首先定义如下的自定义ArrayList类，并重写了它的add方法，

public class MyArrayList extends ArrayList<Double> {

    @Override
    public boolean add(Double e) {
        return super.add(e);
    }
}

首先，我们肯定知道ArrayList类中的add方法的原型是下面这样的

public boolean add(E e)

在Java当中，是在编译时去进行类型擦除的，在运行时并无泛型类型一说。也就是说，该原型方法，会被抹掉成为

public boolean add(Object e)

但是，我们定义了自己的ArrayList，我们自己的add方法的原型为

public boolean add(Double e)

这个两个方法的签名并不相同，但是当使用下的代码创建一个ArrayList时：

ArrayList<Double> list = new MyArrayList();
list.add(1.0);

它实际调用的方法的原型是public boolean add(Object e)，但是我们子类中的重写的方法的原型时什么？public booleab add(Double e)。

也就是说，通过父类的方法调用的和子类重写的方法，并不是同一个方法，因为它们连方法签名都不同。这时候，就需要要一个方式，将public booleab add(Object e)转到public booleab add(Double e)当中去执行。这时候，就会涉及到桥接方法的存在了。

Java的实现方式是：通过在Javac编译器编译时，为我们生成一个public boolean add(Object e)这样的方法，而这个方法当中，要做的实际上就是调用public booleab add(Double e)这个方法。

    public boolean add(Object o) {
        return add((Double) o);
    }

通过桥接方法的方式，就可以让我们能在针对泛型方法进行重写时，可以被JVM执行到。

1.2.2 为什么泛型协变时，不允许添加元素呢

当我们使用下面的代码创建了一个我们自定义的MyArrayList对象。

ArrayList<Double> list = new MyArrayList();

这时，我们调用test方法

test(list)

test方法对于list的泛型定义为<? entends Number>，理论上应该是可以往里面放入任何Number子类类型的元素的。但是别忘了，我们MyArrayList中对于方法的定义，是下面这样子的！

public boolean add(Object e) {
    return add((Double)e);
}

public boolean add(Double e)  {
    // ......
}

如果我们往集合当中添加一个Integer类型的1，走到桥接方法当中时会有(Double)e这样的强制类型转换，这不就是抛出了ClassCastException异常了吗？很明显，是不允许我们这样干的。因此Java的做法就是，在编译期就去禁止这种做法，避免产生运行时的ClassCastException。

有的人也许会说

ArrayList<Double> list = new MyArrayList();

我们创建list时，不是约束了泛型类型为Double了吗，为什么test方法内就不能默认它是Double的泛型呢？问题就是：我写test方法时，我怎么知道你传递的是Double类型的泛型，玩意别人传递的是Integer的泛型呢？所以很明显是行不通的。

1.2.3 从Java字节码的角度去看桥接方法

我们可以看到，Javac编译器，在对Java代码进行编译时，其实针对add方法去生成了两个方法，而它们的访问标识符并不相同。我们自己的方法的访问标识符为0x0001[public]，而Javac编译器为我们生成的桥接方法的返回值，为0x1041[pubic synthetic bridge]，多了两个访问标识符synthetic和bridge。

我们打开桥接方法的code字节码

我们来分析下字节码

1.aload_0，众所周知，就是从LocalVariableTable(局部变量表)获取this对象的引用，并压栈。
2.aload_1，自然就是将传入的元素e的引用压栈。
3.checkcast #3 <java/lang/Double>，自然是检查能否执行强制类型转换。
4.invokevirtual #4 <com/wanna/generics/java/MyArrayList.add : (Ljava/lang/Double;)Z>，做到实际上就是从常量池的4号元素当中拿到要执行的方法，也就是我们自己实现的方法。invokevirtual就是执行目标方法，没毛病。
5.ireturn，自然就是返回一个int类型的值，为什么是int类型？而不是boolean类型？因为Java当中，在存放到局部变量表和栈中的情况下，int/byte/boolean/char，都是使用的int的形式存放的，占用一个局部变量表的槽位。

我们通过分析得到的信息和我们之前的分析一致，就是通过桥接方法桥接一下，去调用我们自己实现的方法。我们接下来，尝试使用反射的方式去获取到add方法有几个，方法信息是什么。

        Arrays.stream(MyArrayList.class.getMethods()).filter(method -> method.getName().equals("add") && method.getParameterCount() == 1).forEach(method -> {
            System.out.printf("方法名为：%s，方法的返回值类型为：%s，方法的参数列表为：%s%n",
                    method.getName(), method.getReturnType(), Arrays.toString(method.getParameterTypes()));
        });

代码的最终执行结果为

方法名为：add，方法的返回值类型为：boolean，方法的参数列表为：[class java.lang.Double]
方法名为：add，方法的返回值类型为：boolean，方法的参数列表为：[class java.lang.Object]

也就是说，生成的桥接方法，是我们可以通过反射拿到的，它是一个真实的方法。

通过反射拿到Method之后，我们还可以通过访问标识符判断该方法是否是桥接方法。

method.isBridge() 
method.isSynthetic()

判断桥接方法，实际上，在Spring框架当中的反射工具类(ReflectionUtils)当中就有用到，用来判断一个方法是否是用户定义的方法。

2. 泛型逆变

2.1 泛型逆变的使用

泛型逆变的泛型形式是：<? super XXX>，它的作用是赋值给它的约束容器的泛型类型，只能是XXX以及它的父类。

那么我们可以往容器里放入它的子类吗？也许会说，上面不是都说了需要放入的是XXX以及它的父类吗，那肯定是不能放入它的子类的呀！但是我们需要想到一个问题，那就是XXX的所有子类，其实都是可以隐式转换为XXX类型，或者可以直接说，它的子类就是XXX类型。

我们依次定义三个类

    static class Person {

    }

    static class User extends Person {

    }

    static class Student extends User {

    }

接着，定义一个使用逆变的泛型参数的方法

public static void test(List<? super User> list)

上面我们说了，可以接收的容器泛型类型是User以及它的父类，也就是说，容器的泛型可以是User也基于是Person。因此，我们可以传入下面这样的容器给test方法。

 test(new ArrayList<Person>());

在test方法当中，我们可以执行下面的才做

list.add(new User()); // 放入User
list.add(new Student());  // 放入User的子类

2.2 泛型逆变会有什么问题

我们需要想想一个问题：我们使用了逆变约定了，接收的容器的泛型类型是User以及User的父类。我们往容器当中放入的元素，可以是User以及User的子类。也就是说，我们获取容器中的元素时，根本不知道是什么类型，只能用Object去接收从容器中获取的元素类型，因为只是约定了容器的泛型为User和User的父类，而Object也是它的父类，因此我们甚至可以传入一个容器类型为ArrayList<Object>，我们根本无法决定元素类型的上限，只能用Object去进行接收。

final Object object = list.get(0);

现在又有一个问题：之前协变时，会出现因为执行桥接方法时，发生类型转换异常，在逆变当中会出现这种情况吗？

我们仔细想想，接收的容器泛型类型为User以及User的父类，而可以往容器里存放的是User以及User的子类，也就是说，我们放入到容器中的元素类型，比你原来约束的类型还严格，因为："User以及User的子类"一定是"User以及User的父类"的子类。也就是说，逆变当中，并不会因为桥接方法中进行的类型导致ClassCastException，所以允许add。

3.协变与逆变-PECS原则

对于协变和逆变，有这样的一个原则：称为PECS(Producer Extends Consumer Super)。也就是说：

1.Extends应该用在生产者的情况，也就是要根据泛型类型去返回对象的形式。
2.Super应该用在消费者的情况，应该传入一个泛型类型的容器，应该利用该容器对数据进行处理，但是不能根据泛型去进行返回，如果要进行返回，只能返回Object，但是这就失去了泛型的意义。

    public static <T> void testCS(List<? super T> list) {  // Consumer Super
        list.add(...);
    }

    public static <T> T testPE(List<? extends T> list) {  // Producer Extends
        return list.get(0);
    }

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