【Scala类型系统】类型参数化和变化型注解

引言

类型参数化（Parameterized Types）可以用来编写泛型类和特质，比如定义Set[T]，这使得我们可以创建诸如Set[String]的类型。而变化型注解（Variance Annotation）定义了参数化类型的继承关系，比如Set[String]是Set[AnyRef]的子类型。

这些语法可以让我们实现信息隐藏技术，同时它们也是编写库程序的基础。

类型参数化

这里以水果盒的代码作为例子：

[code]abstract class Fruit {
  def name: String
}
class Orange extends Fruit {
  def name = "orange"
}
class Apple extends Fruit {
  def name = "apple"
}

abstract class Box {
  def fruit: Fruit
  def contains(aFruit: Fruit) =
    fruit.name.equals(aFruit.name)
}
class OrangeBox(orange: Orange) extends Box {
  def fruit: Orange = orange
}
class AppleBox(apple: Apple) extends Box {
  def fruit: Apple = apple
}

上面的例子，定义了Box的两个子类，OrangeBox和AppleBox，这考虑的类型安全，因为fruit方法的返回值受到了Orange和Apple类型的特别限制。这也同样带来了维护代码量和类型安全的矛盾。

基于这个问题，Scala允许使用参数化类型，即你可以使用类型参数来代替实际的类型。类型参数可以认为是一个限制类型的别名。

根据类型继承关系，Scala编译器允许AppleBox或者OrangeBox的实例赋值给Box类型变量，在Box子类中fruit方法的实现返回了Apple或者Orange类型，这同样可以赋值给Fruit类型的变量。

变化型注解：


假设声明了

class Orange extends Fruit

，而后

class Box[A]

中的A可以有前缀+或-。

A，没有任何注解，是不变型。该状态下，

Box[Orange]

和

Box[Fruit]

没有任何继承关系

+A，是协变类型。此时，

Box[Orange]

是

Box[Fruit]

的子类型，并且变量声明

val f: Box[Fruit] = new Box[Orange]()

是允许的。

-A，是逆变类型。此时，

Box[Fruit]

是

Box[Orange]

的子类型，并且变量声明

val f: Box[Orange] = new Box[Fruit]()

是允许的。






从总体来看，变化类型参数可以被认为是扩展泛型编程的类型检查范围的工具。它提供了额外的类型安全，即保证类型安全的前提下，为开发者提供了利用类型层级的可能性。

子类型多态

协变和逆变注解使得通过类型参数的继承关系来推断泛化类型的继承关系，利用该注解可以限制类型参数在泛型类中一些可能的使用，Scala编译器针对不恰当的使用进行检查和报错。

[code]abstract class Box[+F <: Fruit] {
  def fruit: F
  def contains(aFruit: Fruit) = fruit.name.equals(aFruit.name)
}
class OrangeBox(orange: Orange) extends Box[Orange] {
  def fruit = orange
}
class AppleBox(apple: Apple) extends Box[Apple] {
  def fruit = apple
}

var fruitBox: Box[Fruit] = new AppleBox(new Apple)
var fruit: Fruit = fruitBox.fruit

上面的例子中，Box[+F]类型参数是协变的，那么将Box[Apple]赋值给Box[Fruit]类型变量fruitBox是合法的。类型变量F用在函数返回类型中是合理的（比如Box.fruit），在fruitBox.fruit方法的调用中，保证返回给Fruit类的实例是一个更加具体的类型，由于类型参数是协变的，需要返回一个比Fruit类型更加具象的类型。

协变和逆变点

函数在参数上是逆变的，在返回值上则是协变的。通常而言，对于某个对象消费的值适用逆变，而对于它产出的值适用协变。

如果一个对象同时消费和产出某值，则类型应该保持不变。这通常适用于可变数据结构，比如标准库中的Array、ArrayBuffer、ListBuffer等。

Scala编译器检查变化型注解的机制

为了核实变化型注解的正确性，Scala编译器会把类或特质中可能用到类型参数的地方分类为正，负或中立。注解了+号的类型参数只能被用在正的位置上，而注解了-号的类型参数只能用在负的位置上。没有变化型注解的类型参数可以用于任何位置。

Scala编译器在检查泛型类时，会跟踪所有使用类型参数的位置，然后根据代码中变化型的位置来决定正确与否。如果类型参数出现在了禁止的位置，编译器将会报错。详细的检查规则可以参见这里。

为了对用到类型参数的地方进行分类，编译器首先从类型参数的声明开始，然后进入更深的内嵌层。

处于声明类的最顶层被划为正，默认情况下，更深的内嵌层的地方的分类会与它外层一致，但仍有几种特殊情况可以使得类型参数的类型发生翻转：


方法的值参数位置的参数类型

方法的类型参数子句位置的参数类型

类型参数的下界的下界参数类型

参数化类型的类型参数，当类型参数是逆变时

类型的类型参数位置，比如C[Arg]的Arg，也有可能被翻转，如果C的类型参数标注了+，那么类别不变；如果C的类型参数标注了-，那么当前类别被翻转。



举例解释：

-

def method(parameter: T)

中，参数T在逆变的位置，遵循第一条规则

-

def method[U <: T]

中，参数T在逆变的位置，遵循第二条规则

-

def method[U >: T]

中，参数T在协变的位置，循序第二条和第三条规则

-

class Box[-A]

中，Box被声明为逆变，此情况下，

def method(parameter: Box[T])

中的T应该是协变的位置，遵循第一条和第四条规则

下界

在一个方法的类型参数子句中的下界参数，为何从逆变位置翻转成协变？

Box[+T]中的协变类型参数T，根据子类型多态性，只能变得更加具象，也就是说，受到T的限制，其实类型将沿着类型层级往下走。如果将T作为下界，使用

U >: T

中的U来作为类型约束，则是可行的。

[code]class Box[+T](fruit: T) {
  def method[U >: T](p: U) = { new Box[U](p) }
}

var apple: Apple = new Apple
var box: Box[Fruit] = new Box[Orange](new Orange)
box = box.method(apple)

这个例子中，即使box在实例化的时候复制为一个子类型Box[Orange]，Box.method的调用仍然是合法的。

通过语法

U >: T

，定义了T为U的下界。结果，U必须是T的超类型，method的参数也变为类型U而不是类型T，而方法返回值也变成了Box[U]，取代了Box[T]。

通过把Apple对象加入到Box[Orange]中，返回结果为Box[Fruit]类型。

合法的变化型位置

下面的几种变化型参数均为合法的语法格式：

abstract class Box[+A]{ def foo(): A }

abstract class Box[-A]{ def foo(a: A) }

abstract class Box[+A]{ def foo[B >: A](b: B) }

abstract class Box[-A]{ def foo[B <: A](): B}

参考资料

The Scala Type System: Parameterized Types and Variances

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