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重写了之前博客写的泛型相关内容，全部整合到这一篇文章里了，把坑都填了，后续不再纠结这些问题了。本文深度总结了函数式思想、泛型对在Java中的应用，解答了许多比较难的问题。
- 纯函数
- 协变
- 逆变
- 泛型通配符
- PECS法则
- 自限定
Part 1: 协变与逆变
Java8 引入了函数式接口，从此方法传参可以传递函数了，有人说这是语法糖。
实际上，这是编程范式的转换，思想体系的变化。
一、纯函数—没有副作用
纯函数的执行不会带来对象内部参数、方法参数、数据库等的改变，这些改变都是副作用。比如Integer::sum是一个纯函数，输入为两个int，输出为两数之和，两个输入量不会改变，在Java 中可以申明为final int类型。
副作用的执行
Java对于不变类的约束明显不足，比如final array只能保证引用的指向不变，array内部的值还是可以改变的，如果存在第二个引用指向相同的array，那么将无法保证array不可变；标准库中的collection常用的还是属于可变mutable类型，可变类型在使用时很便利。
在函数式思想下，函数是一等公民，函数是有值的，比如Integer::sum就是函数类型BiFunction<Integer, Integer, Integer>的一个值，没有副作用的函数保证了函数可以看做一个黑盒，一个固定的输入便有固定的输出。
那么Java中对象的方法是纯函数吗？
大多数时候不是。对象的方法受到对象的状态影响，如果对象的状态不发生改变，同时不对外部产生影响（比如打印字符串），可以看做纯函数。
本文之后讨论的函数都默认为纯函数。
二、协变—更抽象的继承关系
协变和逆变描述了继承关系的传递特性，协变比逆变更好理解。
协变的简单定义：如果A是B的子类，那么F(A)是F(B) 的子类。F表示的是一种类型变换。
比如：猫是动物，表示为Cat < Animal，那么一群猫是一群动物，表示为List[Cat] < List[Aniaml]。
上面的关系很好理解，在面向对象语言中，is-a表示为继承关系，即猫是动物的子类（subtype）。
所以，协变可以这样表示：
A < B ⇒ F(A) < F(B)
在猫的例子中，F表示集合。
那么如果F是函数呢？
我们定义函数F=Provider，函数的类型定义包括入参和出参，简单地考虑入参为空，出参为Animal和Cat的情况。简单理解为方法F定义为获取猫或动物。
那么Supplier作用Cat和Animal上，原来的类型关系保持吗？
答案是保持，Supplier[Cat] < Supplier[Animal]。也就是说获取一只猫就是获取一只动物。转换成面向对象的语言，Supplier[Cat]是Supplier[Animal]的子类。
在面向对象语言中，子类关系常常表现为不同类型之间的兼容。也就是说传值的类型必须为声明的类型的子类。如下面的代码是好的
List[User] users = List(user1, user2)
List[Animal] animals = cats
Supplier[Animal] supplierWithAnimal = supplierWithCat
// 使用Supplier[Animal],实际上得到的是Cat
Animal animal = supplierWithAnimal.get()
我们来看下某百科对于里氏替换原则（LSP）的定义：
里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说，任何父类可以出现的地方，子类一定可以出现。 LSP是继承复用的基石，只有当子类可以替换掉父类，软件单位的功能不受到影响时，父类才能真正被复用，而子类也能够在父类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对“开-闭”原则的补充。实现“开-闭”原则的关键步骤就是抽象化。而子类与父类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。
Animal animal = new Cat(”kitty”);
在UML图中，一般父类在上，子类在下。因此，子类赋值到父类声明的过程可以形象地称为向上转型。
总结一下：协变是LSP的体现，形象的理解为向上转型。
三、逆变—难以理解的概念
与协变的定义相反，逆变可以这样表示：
A < B ⇒ F(B) < F(A)
最简单的逆变类是Consumer[T]，考虑Consumer[Fruit] 和 Consumer[Apple]。榨汁机就是一类Consumer，接受的是水果，输出的是果汁。我定义的函数accpt为了避免副作用，返回字符串，然后再打印。
下面我用scala写的示例，其比Java简洁一些，也是静态强类型语言。你可以使用网络上的 playground 运行(eg: scastie.scala-lang.org)。
// scala 变量名在前，类型在后，函数返回类型在括号后，可以省略
class Fruit(val name: String) {}
class Apple extends Fruit("苹果") {}
class Orange extends Fruit("橙子") {}
// 榨汁机,T表示泛型，<:表示匹配上界（榨汁机只能榨果汁），-T 表示T支持逆变
class Juicer[-T <: Fruit] {
def accept(fruit: T) = s"${fruit.name}汁"
}
val appleJuicer: Juicer[Apple] = Juicer[Fruit]()
println(appleJuicer.accept(Apple()))
// 编译不通过，因为appleJuicer的类型是Juicer[Apple]
// 虽然声明appleJuicer时传递的值是水果榨汁机，但是编译器只做类型检查，Juicer[Apple]类型不能接受其他水果
println(appleJuicer.accept(Orange()))
榨汁机 is-a 榨苹果汁机，因为榨汁机可以榨苹果。
逆变难以理解的点就在于逆变考虑的是函数的功能，而不是函数具体的参数。
参数传参原则上都可以支持逆变，因为对于纯函数而言，参数值并不可变。
再举一个例子，Java8 中stream的map方法需要的参数就是一个函数：
// map方法声明
<R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper);
// 此时方法的参数就是T，我们传递的mapper的入参可以为T的父类, 因为mapper支持参数逆变
// 如下程序可以运行
// 你可以对任意一个Stream<T>流使用map(Object::toString)，因为在Java中所有类都继承自Object。
Stream.of(1, 2, 3).map(Object::toString).forEach(System.out::println);
问题可以再复杂一点，如果函数的参数为集合类型，还可以支持逆变吗？
当然可以，如前所述，逆变考虑的是函数的功能，传入一个更为一般的函数也可以处理具体的问题。
// Scala中可以使用 ::: 运算符合并两个List, 下一行是List中对方法:::的声明
// def ::: [B >: A](prefix: List[B]): List[B]
// 这个方法在Java很难实现，你可以看看ArrayList::addAll的参数, 然后想想曲线救国的方案，下一篇文章我会详细讨论
// usage
val list: List[Fruit] = List(Apple()) ::: (List(Fruit("水果")))
println(list)
// output: List(Playground$Apple@74046e99, Playground$Fruit@8f0fecd)
总结一下：函数的入参可以支持逆变，即参数的继承关系和函数的继承关系相反，逆变的函数更通用。
Part 2: 深入理解泛型
上次说到函数入参支持协变，出参支持逆变。那么Java中是如何实现支持的？
一切都可以归因于Java的前向兼容，Java泛型是一个残缺品，不过也可以解决大量的泛型问题。
Java中对象声明并不支持协变和逆变，所以我们看到的函数接口声明如下：
// R - Result
@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
// 1. 函数式接口
R apply(T t);
// 2. compose 和 andThen 实现函数复合
// compose 的入参函数 before 支持入参逆变,出参协变
default <V> Function<V, R> compose(Function<? super V, ? extends T> before) {
Objects.requireNonNull(before);
return (V v) -> apply(before.apply(v));
}
default <V> Function<T, V> andThen(Function<? super R, ? extends V> after) {
Objects.requireNonNull(after);
return (T t) -> after.apply(apply(t));
}
// Java9 支持的静态方法
static <T> Function<T, T> identity() {
return t -> t;
}
}
Java中仅在使用时支持逆变与协变的匹配，可以在方法上使用通配符，也就是说，andThen方法接受的参数支持入参逆变、出参协变。不使用通配符则为不变，在IDEA中可以开启通配符的提示，很有用，一般情况下，编写时可以考虑不变，然后再考虑增加逆变与协变的支持。
但是Java中通配符使用了和继承相关的super、 extends 关键字，而实际协变与逆变和继承没有关系。在scala中协变和逆变可以简单地写作+和-，比如声明List[+T]。
通配符继承了Java一贯的繁琐，函数声明更甚。函数的入参和出参都在泛型参数中，Function<T, R> 和 T → R 相比谁更简洁一目了然。特别是定义高阶函数（入参或出参为函数的函数）更为麻烦，比如一个简单的加法：
// Java 中的声明，可以这样考虑：Function泛型参数的右边为返回值
Function<Integer, Function<Integer, Integer>> add;
// 使用时连续传入两个参数
add.apply(1).apply(2);
// 其他语言
val add : Int -> Int -> Int = x -> y -> x + y
add(1)(2)
// 传入 tuple 的等价形式 Java
Function<Tuple<Integer, Integer>, Integer> add = (x, y) -> x + y;
add.apply(new Tuple(1, 2));
BiFunction<Integer, Integer, Integer> add = (x, y) -> x + y;
add.apply(1, 2);
// 其他语言
val add: (Int, Int) -> Int = x + y
add(1, 2)
从上面可以看出，虽然实现的是相同的语义，Java对函数的支持还是有明显不足的。没有原生的Tuple类型，但是在使用时又可以使用 (x, y)。
话虽如此，毕竟可以实现相同的功能，丰富的类库加之方法引用、lambda表达式等的存在，Java中使用函数式编程思想可以说是如虎添翼。
三人成虎
理解函数式思想实际上只需要了解三种函数式接口，生产者、函数、消费者。只有生产者和消费者可以有副作用，函数就是纯函数。
Function<T, R>
public interface Supplier<T> {
T get();
}
public interface Consumer<T> {
void accept(T t);
// 多次消费合并为一次
default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after) {
Objects.requireNonNull(after);
return (T t) -> { accept(t); after.accept(t); };
}
}
函数式编程将操作都通过链式调用连接起来。
Supplier → Func1 → … → Funcn → Consumer
比如stream流的整个生命周期，只消费一次。
// Stream
Stream.of("apple", "orange")
.map(String::toUpperCase)
.forEach(System.out::println);
// reactor, 简单理解为stream++, 支持异步 + 背压
Flux.just(1, 2, 3, 4)
.log()
.map(i -> i * 2)
.zipWith(Flux.range(0, Integer.MAX_VALUE),
(one, two) -> String.format("First Flux: %d, Second Flux: %d", one, two))
.subscribe(elements::add);
assertThat(elements).containsExactly(
"First Flux: 2, Second Flux: 0",
"First Flux: 4, Second Flux: 1",
"First Flux: 6, Second Flux: 2",
"First Flux: 8, Second Flux: 3");
常见的使用举例
- Comparable
举例来说，实现 集合类的sort方法，方法签名如下：
// 最简单的声明
public static <T> void sort(Collection<T> col);
// 加入可比较约束，编译器检查：如果没有实现Comparable,则编译不通过
public static <T extends Comparable<T>> void sort(Collection<T> col);
// 使用通配符匹配更多使用场景，大多数类库都是这样声明的，缺点是看起了比较繁琐
// 其实只需要理解了函数的入参逆变，出参协变的准则，关注extends、super后面的类型即可理解
public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(Collection<T> col);
- Stream
这个方法声明在Stream接口中，可以把Stream<Stream
public interface Stream<T> extends BaseStream<T, Stream<T>> {
Stream<T> filter(Predicate<? super T> predicate);
<R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper);
// flatMap 把 Stream<Stream<T>> 展开,也有叫 bind 的。
<R> Stream<R> flatMap(Function<? super T, ? extends Stream<? extends R>> mapper);
}
可以看看flatMap中mapper的返回类型，完美遵循出参协变和集合类支持协变的特性。
你看，本来Stream