Java 泛型中 extends 和 super 的区别

2020-03-11

在 Java 中，<? extends T> 和 <? super T> 是 Java 泛型中的「通配符」Wildcards 和「边界」Bounds的概念。

名称	中文概念	英文概念
<? extends T>	上界通配符	Upper Bounds Wildcards
<? super T>	下界通配符	Lower Bounds Wildcards

Java 是单继承，所有继承的类构成一棵树。假设 A 和 B 都在一颗继承树里（否则 super，extend 这些词没意义）。

A extend B 表示 A 是 B 的子类或者子孙，在 B 下面。
A super B 表示 A 是 B 的父类或者祖先，在 B 的上面。

由于树这个结构上下是不对称的，所以这两种表达区别很大。假设有两个泛型写在了函数定义里，作为函数形参（形参和实参有区别）：

参数写成：T<? extends B>，由于指定了 B 为所有元素的“根”，你任何时候都可以安全的用 B 来使用容器里的元素，但是插入有问题，由于供奉 B 为祖先的子树有很多，不同子树并不兼容，由于实参可能来自于任何一颗子树，所以你的插入很可能破坏函数实参，所以，对这种写法的形参，禁止做插入操作，只做读取。

参数写成：T<? super B>，对于这个泛型，? 代表容器里的元素类型，由于只规定了元素必须是 B 的超类，导致元素没有明确统一的“根”（除了 Object 这个必然的根），所以这个泛型你其实无法使用它，对吧，除了把元素强制转成 Object。所以，对把参数写成这样形态的函数，你函数体内，只能对这个泛型做插入操作，而无法读。

1. 为什么要用通配符和边界？

使用泛型的过程中，经常出现一种很别扭的情况。比如按照题主的例子，我们有 Fruit 类，和它的派生类 Apple 类。

1 2	class Fruit {} class Apple extends Fruit {}

然后有一个最简单的容器：Plate 类。盘子里可以放一个泛型的“东西”。我们可以对这个东西做最简单的“放”和“取”的动作：set( ) 和 get( ) 方法。

class Plate<T> {

    private T item;

    public Plate(T t) { item = t; }

    public void set(T t) { item = t; }

    public T get() { return item; }
    
}

现在我定义一个“水果盘子”，逻辑上水果盘子当然可以装苹果。

1	Plate<Fruit> p = new Plate<Apple>(new Apple());

但实际上 Java 编译器不允许这个操作。会报错，“装苹果的盘子”无法转换成“装水果的盘子”。

1	error: incompatible types: Plate<Apple> cannot be converted to Plate<Fruit>

所以我的尴尬症就犯了。实际上，编译器脑袋里认定的逻辑是这样的：

苹果 IS-A 水果
装苹果的盘子 NOT-IS-A 装水果的盘子

所以，就算容器里装的东西之间有继承关系，但容器之间是没有继承关系的。所以我们不可以把 Plate 的引用传递给 Plate。

为了让泛型用起来更舒服，Sun 的大脑袋们就想出了 <? extends T> 和 <? super T> 的办法，来让”水果盘子“和”苹果盘子“之间发生关系。

1.1 什么是上界？

下面代码就是「上界通配符」Upper Bounds Wildcards：

1	Plate<？extends Fruit>

翻译成人话就是：一个能放水果以及一切是水果派生类的盘子。再直白点就是：啥水果都能放的盘子。这和我们人类的逻辑就比较接近了。Plate<？extends Fruit> 和 Plate<Apple> 最大的区别就是：Plate<？ extends Fruit> 是 Plate<Fruit> 以及 Plate<Apple> 的基类。直接的好处就是，我们可以用“苹果盘子”给“水果盘子”赋值了。

1	Plate<? extends Fruit> p = new Plate<Apple>(new Apple());

如果把 Fruit 和 Apple 的例子再扩展一下，食物分成水果和肉类，水果有苹果和香蕉，肉类有猪肉和牛肉，苹果还有两种青苹果和红苹果。

// Lev 1
class Food {}

// Lev 2
class Fruit extends Food {}
class Meat extends Food {}

// Lev 3
class Apple extends Fruit {}
class Banana extends Fruit {}
class Pork extends Meat {}
class Beef extends Meat {}

// Lev 4
class RedApple extends Apple {}
class GreenApple extends Apple {}

在这个体系中，下界通配符 Plate<? extends Fruit> 覆盖下图中绿色的区域。

此处输入图片的描述

1.2 什么是下界？

相对应的，「下界通配符」Lower Bounds Wildcards：

1	Plate<? super Fruit>

表达的就是相反的概念：一个能放水果以及一切是水果基类的盘子。Plate<? super Fruit> 是 Plate<Fruit> 的基类，但不是 Plate<Apple> 的基类。对应刚才那个例子，Plate<? super Fruit> 覆盖下图中蓝色的区域。

此处输入图片的描述

2. 上下界通配符的副作用

边界让 Java 不同泛型之间的转换更容易了。但不要忘记，这样的转换也有一定的副作用。那就是容器的部分功能可能失效。还是以刚才的 Plate 为例。我们可以对盘子做两件事，往盘子里 set() 新东西，以及从盘子里 get() 东西。

class Plate<T> {

    private T item;

    public Plate(T t) { item = t; }

    public void set(T t) { item = t; }

    public T get() { return item; }
    
}

2.1 上界通配符不能往里存，只能往外取

上界通配符 <? extends Fruit> 会使往盘子里放东西的 set( ) 方法失效。但取东西 get( ) 方法还有效。比如下面例子里两个 set() 方法，插入 Apple 和 Fruit 都报错。

Plate<? extends Fruit> p = new Plate<Apple>(new Apple());

p.set(new Fruit());    // 不能存入任何元素，Error
p.set(new Apple());    // 不能存入任何元素，Error

// 读取出来的东西只能存放在 Fruit 或它的基类里。
Fruit newFruit1 = p.get();
Object newFruit2 = p.get();
Apple newFruit3 = p.get();    // Error

原因是编译器只知道容器内是 Fruit 或者它的派生类，但具体是什么类型不知道。可能是 Fruit？可能是 Apple？也可能是 Banana，RedApple，GreenApple？编译器在看到后面用 Plate 赋值以后，盘子里没有被标上有“苹果”。而是标上一个占位符：CAP#1，来表示捕获一个 Fruit 或 Fruit 的子类，具体是什么类不知道，代号 CAP#1。然后无论是想往里插入 Apple 或者 Meat 或者 Fruit 编译器都不知道能不能和这个 CAP#1 匹配，所以就都不允许。

所以通配符 <?> 和类型参数的区别就在于，对编译器来说所有的 T 都代表同一种类型。比如下面这个泛型方法里，三个 T 都指代同一个类型，要么都是 String，要么都是 Integer。

1	public <T> List<T> fill(T... t);

但通配符 <?> 没有这种约束，Plate<?> 单纯的就表示：盘子里放了一个东西，是什么我不知道。所以题主问题里的错误就在这里，Plate<? extends Fruit> 里什么都放不进去。

2.2 下界通配符不影响往里存，但往外取只能放在 Object 对象里

下界通配符 <? super Fruit> 会使从盘子里取东西的 get( ) 方法部分失效，只能存放到 Object 对象里。set( ) 方法正常。

Plate<? super Fruit> p = new Plate<Fruit>(new Fruit());

// 存入元素正常
p.set(new Fruit());
p.set(new Apple());

// 读取出来的东西只能存放在 Object 类里。
Apple newFruit3 = p.get();   // Error
Fruit newFruit1 = p.get();   // Error
Object newFruit2 = p.get();

因为下界规定了元素的最小粒度的下限，实际上是放松了容器元素的类型控制。既然元素是 Fruit 的基类，那往里存粒度比 Fruit 小的都可以。但往外读取元素就费劲了，只有所有类的基类 Object 对象才能装下。但这样的话，元素的类型信息就全部丢失。

3. PECS 原则

最后看一下什么是 PECS（Producer Extends Consumer Super）原则，就很好理解了：

频繁往外读取数据的，适合用上界 Extends。
经常往里插入数据的，适合用下界 Super。

4. 参考文章

Java 泛型 <? super T> 中 super 怎么理解？与 extends 有何不同？