Java 多態下的陣列、泛型與集合：型別协变、逆变與不變的完整規則解析

Java 型別系統在多態情境下對陣列、泛型、集合有截然不同的規則。本文深入剖析陣列協變、泛型不變、通配符協變/逆變的編譯期與執行期行為，並以程式碼實證說明堆污染風險、ArrayStoreException 機制、PECS 原則，助你徹底掌握這類高頻面試與實戰陷阱。

一、陣列：協變 但有執行期檢查

規則

• Child[] 可賦值給 Parent[] 變數（協變）
• 編譯通過，但執行期寫入非 Child 物件拋 ArrayStoreException
• 讀取安全，寫入有風險

程式碼實證

class Animal { void show() { System.out.println("Animal"); } }
class Dog extends Animal { void show() { System.out.println("Dog"); } }

public class ArrayCovariance {
    public static void main(String[] args) {
        Dog[] dogs = {new Dog(), new Dog()};
        Animal[] animals = dogs;  // 協變：編譯通過

        animals[0].show();  // 輸出 Dog - 讀取安全，動態分派

        // 執行期檢查：嘗試存入非 Dog 物件
        animals[0] = new Animal();  // 編譯通過！執行拋 ArrayStoreException
    }
}

記憶體模型解析

• dogs 與 animals 指向同一個堆上陣列物件
• 陣列元素型別資訊保留在執行期（Reified），JVM 執行寫入時檢查實際元素型別

二、泛型：不變 性（Invariant）

規則

• List<Dog> 不可賦值給 List<Animal>
• 編譯期直接報錯，無執行期檢查機制（類型擦除）

程式碼實證

import java.util.*;

public class GenericsInvariance {
    public static void main(String[] args) {
        List<Dog> dogs = new ArrayList<>();
        // List<Animal> animals = dogs;  // 編譯錯誤：incompatible types
    }
}

為什麼？避免堆污染

// 假設允許 List -> List
List<Dog> dogs = new ArrayList<>();
List<Animal> animals = dogs;  // 假設合法
animals.add(new Cat());       // 堆污染：Dog 列表塞入 Cat
Dog dog = dogs.get(0);        // 執行期 ClassCastException！

泛型擦除導致執行期無型別資訊，若允許協變，寫入錯誤型別只會在後續讀取時暴露，極難除錯。Java 選擇編譯期禁止。

三、通配符：受限協變/逆變

為彌補泛型不變的剛性，Java 引入 ? extends T（上界）與 ? super T（下界）。

1. 上界通配符 ? extends T：協變（生產者）

• List<? extends Animal> animals = dogs; 合法
• 只能讀，不能寫（除 null）
• 讀出型別為 Animal（或上界）
• 適用場景：消費/讀取 集合元素（Producer - Extends）

程式碼實證

List<Dog> dogs = new ArrayList<>();
dogs.add(new Dog());

List<? extends Animal> animals = dogs;  // 合法

animals.get(0).show();  // 讀取 OK，型別 Animal
// animals.add(new Dog());  // 編譯錯誤：不能寫入
// animals.add(new Animal()); // 編譯錯誤
animals.add(null);      // 唯一合法寫入

2. 下界通配符 ? super T：逆變（消費者）

• List<? super Dog> animals = new ArrayList<Animal>(); 合法
• 只能寫，讀出只能是 Object
• 寫入 Dog 或其子類安全
• 適用場景：生產/寫入 元素到集合（Consumer - Super）

程式碼實證

List<? super Dog> animals = new ArrayList<Animal>();
animals.add(new Dog());      // 寫入 OK
animals.add(new Puppy());    // 寫入子類 OK
// Animal a = animals.get(0); // 編譯錯誤：讀出只能 Object
Object obj = animals.get(0); // 僅能作 Object 讀取

四、PECS 原則總結

五、集合介面的多態：正常繼承關係

• List<Object> list = new ArrayList<Object>(); 合法（同型別）
• Collection<Object> coll = new ArrayList<Object>(); 合法（介面多態）
• 介面與實現類之間遵循標準多態，不涉及泛型型別參數變化

六、面試高頻陷阱題

1. List<Object> list = new ArrayList<String>(); → 錯（泛型不變）
2. List<? extends Object> list = new ArrayList<String>(); → 對（上界協變）
3. void process(List<Animal> list) 能傳 List<Dog>？→ 不能。改 void process(List<? extends Animal> list)
4. List<? super Exception> list = new ArrayList<RuntimeException>(); → 錯（RuntimeException 不是 Exception 的父類）
5. 方法簽名設計：void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) → 標準 PECS 應用

七、總結

• 陣列協變：執行期 ArrayStoreException 守護，讀安全寫危險
• 泛型不變：編譯期禁止，防堆污染，類型擦除無執行期資訊
• 上界 ? extends T：協變，唯讀，生產者
• 下界 ? super T：逆變，唯寫，消費者
• PECS 原則：API 設計黃金法則，靈活兼顧型別安全與複用

掌握這套規則，能讓你設計出型別安全、極具彈性的泛型 API，並輕鬆應對面試中的各種變體題目。

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