Scala类型参数中协变(+)、逆变（-）、类型上界(<:)和类型下界(>:)的使用

转自：http://fineqtbull.iteye.com/blog/477994#bc2364938

有位je上的同窗来短信向我问起了Scala类型参数中协变、逆变、类型上界和类型下界的使用方法和原理，本身虽然也刚学不久，在主要调查了《Programing in Scala》的19章后，试着在下面作一个总结。若有错误之处还请各位指正。 

先说说协变和逆变（实际上还有非变）。协变和逆变主要是用来解决参数化类型的泛化问题。因为参数化类型的参数（参数类型）是可变的，当两个参数化类型的参数是继承关系（可泛化），那被参数化的类型是否也能够泛化呢？Java中这种状况下是不可泛化的，然而Scala提供了三个选择，即协变、逆变和非变。下面说一下三种状况的含义，首先假设有参数化特征Queue，那它能够有以下三种定义。 
1）trait Queue[T] {} 
这是非变状况。这种状况下，当类型S是类型A的子类型，则Queue[S]不可认为是Queue[A]的子类型或父类型，这种状况是和Java同样的。 

2）trait Queue[+T] {} 
这是协变状况。这种状况下，当类型S是类型A的子类型，则Queue[S]也能够认为是Queue[A}的子类型，即Queue[S]能够泛化为Queue[A]。也就是被参数化类型的泛化方向与参数类型的方向是一致的，因此称为协变。 

3）trait Queue[-T] {} 
这是逆变状况。这种状况下，当类型S是类型A的子类型，则Queue[A]反过来能够认为是Queue[S}的子类型。也就是被参数化类型的泛化方向与参数类型的方向是相反的，因此称为逆变。 

接着看一个例子。

package fineqtbull.customer
//出版物类
class Publication(val title: String)
//书籍类
class Book(title: String) extends Publication(title)
//图书库类
object Library {
    //定义图书库内全部的书籍
    val books: Set[Book] =
        Set(
            new Book("Programming in Scala"),
            new Book("Walden")
        )
    //打印全部图书内容，使用外部传入的函数来实现
    def printBookList(info: Book => AnyRef) {
        //确认Scala中一个参数的函数其实是Function1特征的实例
        assert(info.isInstanceOf[Function1[_, _]])
        //打印
        for (book <- books)
            println(info(book))
    }
    //打印全部图书内容，使用外部传入的GetInfoAction特征的实例来实现
    def printBokkListByTrait[P >: Book, R <: AnyRef](
            action : GetInfoAction[P, R]) {
        //打印
        for (book <- books)
            println(action(book))
    }

}
//取得图书内容特征，P类型参数的类型下界是Book，R类型参数的类型上界是AnyRef
trait GetInfoAction[P >: Book, R <: AnyRef] {
    //取得图书内容的文本描述，对应（）操做符
   def apply(book : P) : R
}
//单例对象，文件的主程序
object Customer extends Application {
    //定义取得出版物标题的函数
    def getTitle(p: Publication): String = p.title
    //使用函数来打印
    Library.printBookList(getTitle)

    //使用特征GetInfoAction的实例来打印
    Library.printBokkListByTrait(new GetInfoAction[Publication, String] {
            def apply(p: Publication) : String = p.title })
}

 上例的Library单例对象的printBookList方法使用了函数来取得书籍的内容。在Scala中函数也是对象，上述状况下的函数有一个参数，实际上该参数是以下特征的实例。

trait Function1[-S, +T] {
  def apply(x: S): T
}

printBookList的info参数是Function1类型，而 Function1的-S类型参数是逆变，+T参数是协变。printBookList方法的assert(info.isInstanceOf[Function1[_, _]])语句能够验证这一点。从printBookList方法的定义能够知道，info的S类型参数是Book，T类型参数是AnyRef。然而主函数中使用处则是Library.printBookList(getTitle)，getTitle函数中对应的S是Publication，T是String。为何能够与printBookList原来的定义不一致呢，这就是协变和逆变的威力了。因为-S是逆变，而Publication是Book的父类，因此Publication能够代替（泛化为）Book。因为+T是协变，而String是AnyRef的子类，因此String能够代替（泛化为）AnyRef。如此一来，主程序的语句也就彻底正确了。

 

接下来讲说类型的上界和下界，它们的含义以下。

1） U >: T

这是类型下界的定义，也就是U必须是类型T的父类(或自己，本身也能够认为是本身的父类)。

 

2) S <: T

这是类型上界的定义，也就是S必须是类型T的子类（或自己，本身也能够认为是本身的子类)。

 

接着使用前面的例子来讲明>:和<:的使用方法。printBokkListByTrait方法实现了与printBookList相同的功能，但它是经过传入特征对象来实现的。也就是说，new GetInfoAction[Publication, String] {}和def getTitle(p: Publication): String是等价的，而GetInfoAction定义中使用>:和<:来代替了Function1中+和-。那是因为>:使得Publication能够代替Book，因为<:使得String能够代替AnyRef。

 

那么为何Function1中的S是逆变而T是协变呢，那是由apply方法的格式而起的。apply方法的参数类型是S决定了S必定是逆变，而返回类型是T则决定了T是协变，这也是Scala语言的强制规定。

咱们再来刨根问底一下，那么为何Scala要有这种规定呢？这实际上和Liskov代替原理有关，它规定T类型是U类型的子类条件是，在U对象出现的全部地方均可以用T对象来代替。同时对于U和T中相同的方法定义，还必须保证T的参数类型需求的比较少，而T的返回类型提供得比较多。从本文的类子来看，参数类型Publication是Book的父类，因此需求的就比Book少；而返回类型String是AnyRef的子类，所提供的就比AnyRef多。以上就是def getTitle(p: Publication): String能够替代info: Book => AnyRef的缘由，也是Scala定义协变和逆变规则的理论基础。

 

欢迎来Scala圈子看看。
http://scalagroup.group.iteye.com/