Java 泛型：不变性、协变、逆变、泛型擦除与 PECS 原则

近期，笔者在重读 Alibaba 的 p3c 文档《Java开发手册》的第一章编程规约中第二节集合处理的第 12 条时遇到的一个疑惑

其内容指出：

泛型通配符<? extends T>来接收返回的数据，此写法的泛型集合不能使用add方法， 而<? super T>不能使用get方法，两者在接口调用赋值的场景中容易出错。
说明：扩展说一下PECS(Producer Extends Consumer Super) 原则，即频繁往外读取内容的，适合用 <? extends T>，经常往里插入的，适合用<? super T>

因为 Java 泛型类型系统是实现类型安全与代码复用的重要基石，泛型的“不变性、协变、逆变”则是理解泛型容器行为的核心，而“泛型擦除”更是揭示了 Java 泛型的底层机制。因此要想吃透 Java 中泛型相关的部分必须要搞清楚这几个的区别和用法，于是笔者就去 Stack Overflow 社区收集了相关的资料去理解了它们间的区别与联系。现在，笔者可以结合 PECS（Producer Extends, Consumer Super）原则，写出更健壮、更灵活的泛型 API，另外，笔者会对该部分做个简要记录，也会通过代码与关系图解，对泛型来一手深入浅出。

一、泛型类型关系全景图

先用一个泛型类型关系全景图，直观展示泛型类型参数之间的继承与通配符关系：

二、不变性（Invariance）

原理

不变性指：即使A是B的子类，Generic<A>和Generic<B>之间没有继承关系。这样设计是为了保证泛型容器的类型安全。

示例

List<Number> numList = new ArrayList<Integer>(); // 编译错误

原因：允许上述代码将导致类型不安全。例如，numList.add(3.14)会破坏ArrayList<Integer>的类型约束。

三、协变（Covariance）与 PECS

原理

协变允许子类型泛型赋值给父类型泛型变量。Java 通过? extends T实现协变，常用于只读场景。

代码

List<? extends Number> covariantList = new ArrayList<Integer>();
Number n = covariantList.get(0); // 只读，安全
// covariantList.add(1); // 编译错误

PECS 分析

• Producer Extends：如果你只从集合中取出数据，使用? extends T。容器是“生产者”。
• 口诀：Get 允许，Put 禁止。

协变图解

四、逆变（Contravariance）与 PECS

原理

逆变允许父类型泛型赋值给子类型泛型变量。Java 通过? super T实现逆变，常用于只写场景。

代码

List<? super Integer> contravariantList = new ArrayList<Number>();
contravariantList.add(123); // 只写，安全
// Integer n = contravariantList.get(0); // 编译错误

PECS 分析

• Consumer Super：如果你只向集合中写入数据，使用? super T。容器是“消费者”。
• 口诀：Put 允许，Get 禁止。

逆变图解

五、泛型擦除（Type Erasure）

原理

Java 泛型为兼容早期 JVM，在编译阶段会擦除类型参数，所有泛型类型在字节码中都表现为原始类型。类型检查仅在编译时有效，运行时类型信息丢失。

影响

• 不能实例化泛型类型参数（如new T()非法）。
• 不能使用泛型数组（如new List<String>[10]非法）。
• 运行时类型检查失效。

代码示例

List<String> list1 = new ArrayList<>();
List<Integer> list2 = new ArrayList<>();
System.out.println(list1.getClass() == list2.getClass()); // true

泛型擦除图解

六、PECS 原则总结表

七、实践结论

1. 只读场景优先用协变：API 只需要读取数据时，使用? extends T，如List<? extends Number>。
2. 只写场景优先用逆变：API 只需要写入数据时，使用? super T，如List<? super Integer>。
3. 既读又写用不变性：如List<T>，完全类型匹配。
4. 理解泛型擦除限制：避免在运行时依赖泛型类型参数。

参考资料

• 《Effective Java》第三版，Item 28, 29
• Java Generics FAQ
• PECS 原则详解