Kotlin 泛型 VS Java 泛型

建议先阅读我的上一篇文章 –Java 泛型

和 Java 泛型一样，Kotlin 泛型也是 Kotlin 语言中较难理解的一个部分。Kotlin 泛型的本质也是参数化类型，并且提供了编译时强类型检查，实际上也是伪泛型，和 Java 泛型类型一样。这篇文章将介绍 Kotlin 泛型里中的重要概念，以及与 Java 泛型的对比。

1. 泛型类型与泛型函数

Kotlin 下泛型类型与泛型函数的写法，与 Java 差不多，直接看下面的例子：

// 泛型类型
class Box<T>{
    var t: T? = null
}

// 泛型函数，类型参数在函数名之前
object Util {
    fun <K, V>compare(p1:Pair<K, V>, p2:Pair<K, V>): Boolean {
         return p1.first == p1.first && p2.second == p2.second
    }
}

Kotlin 中泛型的类型参数如果可以推断出来，例如从构造函数的参数或者其他途径，允许省略类型参数：

val p1 = Pair(1, "1")
val p2 = Pair(2, "2")
Util.compare(p1, p2)

通过 Tools -> Kotlin -> Show Kotlin Bytecode, 然后点击字节码上面的 Decompile 出 Java 代码可以看出与 Java 泛型的原理是一样的，都进行了类型擦除。

2. 泛型约束

Java 中可以通过有界类型参数来限制参数类型的边界，Kotlin 下泛型约束也可以限制参数类型的上界：

fun <T: Comparable<T>>compare(t1:T, t2:T) = t1.compareTo(t2)

默认的上界是 Any? ，是可空类型，如果确定为非空类型的话，应该使用 <T: Any> 。

泛型约束中的尖括号中只能指定一个上界，如果需要多个上界，需要一个单独的 where 子句：

fun <T>cloneWhenGreater(list:List<T>, threshold:T): List<Any>
        where T : Comparable<T>,
              T : CharSequence {
    return list.filter { it > threshold }
}

3. 使用处型变：类型投影

在 Java 泛型的通配符中有一个“Producer Extends, Consumer Super”原则，简称 PECS 原则：只读类型使用上界通配符 ? extends T ，只写类型使用下界通配符 ? super T 。Kotlin 中提供了类似功能的两个操作符 out 和 in ，分别生产和消费。

先看 _Collection.kt 中一个扩展函数：

public operator fun <T>Collection<T>.plus(elements:Array<outT>): List<T>

// list 为 ArrayList<Number> 类型
val list = arrayListOf<Number>(1, 2, 3)
// array 为 Array<Float> 类型
val array = arrayOf(1f, 2f)
val list1: List<Number> = list.plus(array)

所以 Array<out T> 相当于 Java 中的 Array<? extends T> ，而 Array<in T> 相当于 Java 中的 Array<? super T> ，out 表示生产，用于只读类型，in 表示消费，用于只写类型。

类型投影和 Java 的上界通配符和下界通配符一样，只能用于参数、属性、局部变量或返回值的类型，但是不能用于泛型类型和泛型函数声明的类型，所以称之使用处型变。

4. 声明处型变

与 Java 有界通配符不能用于泛型声明时使用不同的是，Kotlin 中 out 和 in 两个型变注解还可以用于泛型声明时，更加灵活。下面通过 Java 和 Kotlin 中对 Collection 的定义来分析：

// Java 中 Collection 的定义，元素是可读写的
public interface Collection<E>extends Iterable<E>{ ... }
public interface List<E>extends Collection<E>{ ... }

// Collections 的 copy 方法
public static <T> void copy(List<?super T> dest, List<? extends T> src){ ... }

// 但是下面声明在 Java 中是不允许的
public interface IllegalList<?extends T>extends Collection<E>{ ... }

但是 Kotlin 中可以通过声明处型变（型变的概念在后面会详细解释）定义只读的集合：

// A generic collection of elements. Methods in this interface support only read-only access to the collection
public interface Collection<out E> :Iterable<E>

// A generic collection of elements that supports adding and removing elements.
public interface MutableCollection<E> :Collection<E>,MutableIterable<E>

Collection<out E> 使得 Collection 里面的元素是只读的，也使得 Collection<Number> 是 Collection<Int> 的父类，在 Kotlin 中称 Collection 的元素类型是协变的。对于协变的类型，通常不允许泛型类型作为函数的传入参数。

in 型变注解可以使得元素类型是逆变的，只能被消费，与协变相反，通常不允许泛型类型作为函数的返回值，看 Comparable 的定义：

public interface Comparable<in T>{
    public operator fun compareTo(other:T): Int
}

fun demo(x:Comparable<Number>) {
    // 1.0 类型为 Double，是 Number 的子类型
    x.compareTo(1.0)
    // 因为 Comparable 只能被消费，所以可以赋值给 Comoparable<Double> 的变量
    val y: Comparable<Double> = x
}

4.1 UnsafeVariance 注解

上面提到过对于协变的类型，通常不允许泛型类型作为函数的传入参数，对于逆变类型，通常不允许泛型类型作为函数的返回值，但是有时我们可以通过 @UnsafeVariance 注解告诉 Kotlin 编译器：“我保证不会干坏事”，例如 Collection 的 contains 函数：

public interface Collection<out E> :Iterable<E>{
    ...
    public operator fun contains(element: @UnsafeVarianceE): Boolean
    ...
}

5. 星投影

使用泛型的过程中，如果参数类型未知时，在 Java 中可以使用原始类型（Raw Types），但是 Java 的原始类型是类型不安全的：

ArrayList<String> list = new ArrayList<>(5);

ArrayList unkownList = list;
Object first = unkownList.get(0);
unkownList.add(1);  // warning: Unchecked call to 'add(E)'
unkownList.add("1"); // warning: Unchecked call to 'add(E)'

而在 Kotlin 中，在参数类型未知时，可以用星投影来安全的使用泛型：

val list = ArrayList<Int>(5)
val unkownList: ArrayList<*> = list
val first: Any = unkownList[0]
unkownList.add(1)  // error
unkownList.add("1") // error

对于 ArrayList<*> 来说，因为不知道具体的参数类型，对于 add(e E) 这种不安全的操作，Kotlin 编译器会直接报错，比 Java 的原始类型更安全。

Kotlin 中具体的星投影语法如下：

• 对于 Foo<out T> ，其中 T 是一个具有上界 TUpper 的协变类型参数， Foo<*> 等价于 Foo<out TUpper> 。这意味着当 T 未知时，你可以安全地从 Foo<*> 读取 TUpper 的值。

• 对于 Foo<in T> ，其中 T 是一个逆变类型参数， Foo<*> 等价于 Foo<in Nothing> 。这意味着当 T 未知时，没有什么可以以安全的方式写入 Foo<*> 。

• 对于 Foo<T> ，其中 T 是一个具有 TUpper 的不型变类型参数， Foo<*> 对于读取值时等价于 Foo<out TUpper> ，而对于写值时等价于 Foo<in Nothing> 。

如果泛型类型具有多个类型参数，则每个类型参数都可以单独投影。例如，如果类型被声明为 interface Function<in T, out U> ，我们可以想象以下星投影：

• Function<*, String> 表示 Function<in Nothing, String>

• Function<Int, *> 表示 Function<Int, out Any?>

• Function<*, *> 表示 Function<in Nothing, out Any?>

6. 型变的概念

在上面提到过使用处型变和声明处型变，那具体型变指什么呢？型变：是否允许对参数类型进行子类型转换。例如在 Java 中 List<Integer> 与 List<Number> 没有直接的类型关系，就是说 Java 中的泛型是不可以直接型变的。

为了提高代码的灵活性，Java 中可以通配符在使用时实现型变，例如 void addNumbers(List<? super Number> list) 方法中可以传 List<Integer> ， List<Integer> 是 List<? super Number> 的子类型，而 Integer 也是 Number 的子类型，这也称之为协变。另外， List<Number> 是 List<? super Integer> 的子类型，和 Integer 与 Number 之间的类型关系相反，称之为逆变。

Kotlin 中 out 和 in 操作符可以更简洁地实现 Java 的使用处型变，而且还支持声明处型变，这也使得 Kotlin 中的泛型是可以直接型变的。

Kotlin 下协变： interface List<out E> ， List<Int> 是 List<Number> 的子类型。

Kotlin 下逆变： interface Comparable<in T> ， Comparable<Double> 是 Comparable<Number> 的父类型。

7. 具体化的类型参数

Kotlin 与 Java 中泛型都会进行类型擦除，泛型的具体类型在运行时是未知的，例如在解析 json 字符串时：

public <T> TfromJson(String json, Class<T> classOfT)throws JsonSyntaxException { ... }

还必须传泛型的 Class 类型，不能直接使用 T.class 获取类型，除非使用反射。

而在 Kotlin 中可以使用 reified 修饰符将内联函数的泛型类型当作具体的类型来使用，不需要再额外传一个 class 对象：

inline fun <reified T> Gson.fromJson(json: String): T? {
    return fromJson(json, T::class.java)
}

对于具体化的类型参数，可以当做一个普通的类型一样， as 和 !as 操作符也可以使用。因为 Kotlin 编译器会把内联函数的代码插入到调用者的地方，所以可以在编译期就确定泛型的类型。需要注意的是，Kotlin 中的 reified 的内联函数不能被 Java 代码调用。

8. 小结

回顾 Kotlin 和 Java 中的泛型，Kotlin 泛型扩展了 Java 中的泛型，添加了使用处型变和更安全的星投影，还支持具体化的类型参数。我整理了下面表格对比两者：

总的来说，Kotlin 泛型更加简洁安全，但是和 Java 一样都是有类型擦除的，都属于编译时泛型。