为什么 ArrayList<ArrayList<T>> 的隐式转换到 Iterable<Iterable<T>> 是不可能的？

Question

我很乐意为您翻译中文。以下是需要翻译的内容：

我想知道为什么Java不能将 ArrayList<ArrayList<T>> 隐式转换为 Iterable<Iterable<T>>。我的问题不是如何显式地实现此操作。

以下的代码为什么会出错：

import java.util.Iterator;
import java.util.ArrayList;

public class Test {
  public Test() {
    ArrayList<ArrayList<Test>> arr = new ArrayList();
    Iterable<Iterable<Test>> casted = arr;
  }
}

编译过程中是否出现以下错误？

Test.java:7: error: incompatible types: ArrayList<ArrayList<Test>> cannot be converted to Iterable<Iterable<Test>>

- lovasoa

---

因为你可以执行 casted.add(new LinkedList());，或者添加任何实现了 Iterable 接口的东西，即使 casted 只应该持有 ArrayList<Test> 对象。 - Colonel Thirty Two

不，我不能执行 arr.add(new LinkedList());，因为 arr 仍然是一个 ArrayList<ArrayList<Test>>。 我也不能执行 casted.add(new LinkedList());，因为 Iterable 没有实现 add。 - lovasoa

好的，没错。但是如果你转换成 List<List<Test>> 会发生什么呢？它有一个 add 方法。对于 Iterable 的情况，语义上没有问题（因为 Iterable 是只读的），但对于一般情况，它允许你违反内部模板的类型，所以 Java 不允许你这样做。 - Colonel Thirty Two

到目前为止，这些答案提到了如何解决问题，但他们没有解释为什么需要这样解决。 - seh

Java文档实际上提供了非常好的一般性解释：https://docs.oracle.com/javase/tutorial/extra/generics/subtype.html - Alex Fedulov

Answer 1

“ArrayList是Iterable，你是对的，所以ArrayList>是Iterable>。但是，Iterable>不是Iterable>，因为在这种情况下，你当然无法明确地向Iterable添加任何内容，但可能会出现这样的情况，你可以（使用其他示例）向其中添加Set，这将破坏arr。你可以通过使用有界泛型来解决这个问题。”

Iterable <? extends Iterable<Test>> casted = arr;

所以，当你在casted上运行iterator()时，你会得到Iterator<? extends Iterable<Test>>，并且在每个next()中，你会得到? extends Iterable<Test>，它是Iterable<Test>。

你应该阅读一些关于Java中的协变和逆变的内容来理解这个。

- Dmitry Ginzburg

---

@njzk2 不行，编译器会阻止这样做，因为它不能确定（而且这不是真的），? extends Iterable<Test> 的扩展是否确切地是 HashSet。 - Dmitry Ginzburg

我觉得你的“但是”断言令人困惑。你写道，“在这种情况下，你当然不能显式地向'Iterable'添加任何内容。”没有人试图这样做。也许你的意思是写成“'Iterable <Iterable<Test>>'不是一个'Iterable<ArrayList<Test>>'”。这样更有意义。 - seh

@seh 没错，我会提供一个答案。 - Dmitry Ginzburg

Answer 2

由于泛型的工作方式，您必须使用以下代码：

ArrayList<ArrayList<Test>> arr = new ArrayList();
Iterable<? extends Iterable<Test>> casted = arr;

ArrayList<ArrayList> 不兼容于 Iterable<Iterable>，因为泛型是严格的。 ArrayList 不是 Iterable，但它是 ? extends Iterable

然而，这有一些限制。考虑以下情况：

ArrayList<? extends Iterable<Test>> casted = arr;

这个工作原本是可以的。但现在，casted 没有与任何类型绑定。你不能调用 add，因为没有类型是兼容的。

- njzk2

Answer 3

让我们看几个类似的例子：

public final class Test {
  public Test() {
    final ArrayList<ArrayList<Test>> a1 = new ArrayList<>();
    final ArrayList<? extends Iterable<Test>> valueTypeRef = a1;
    final Iterable<? extends Iterable<Test>> spinalTypeRef = valueTypeRef;

    final ArrayList<Iterable<Test>> a2 = new ArrayList<>();
    final Iterable<Iterable<Test>> r2 = a2;
  }
}

在第一个示例中，您可以看到我们可以形成的有效引用，首先是将值类型泛化，然后生成容器类型（当谈论序列时，“脊柱”）。第二个示例（a2）展示了如何从Iterable类型的值类型开始，无需麻烦即可形成所需的引用类型。

你的问题归结为为什么valueTypeRef不能是ArrayList>类型，为什么我们需要使用上限通配符。在Java中，类型ArrayList>与类型ArrayList>没有关系，即使ArrayList是Iterable的子类型。形成valueTypeRef寻找其隐式转换的这种关系，但不存在这样的关系，即使您作为程序员可以看到它应该存在。

Java只允许使用通配符（wildcards）来利用子类型关系，如此处在《Java教程》中所述的 Wildcards and Subtyping。我们需要引入一个上界通配符（这里是 ArrayList<? extends Iterable<Test>>），告诉类型系统我们期望新引用值类型是参考对象值类型的子类型。不带通配符的类型参数既不协变也不逆变，即使函数参数和返回类型沿子类型和超类型轴允许正常替换，泛型类型本身（例如 ArrayList<ArrayList<Test>> 和 ArrayList<Iterable<Test>>）也只能通过通配符进行这些替换。

由此产生的类型（即ArrayList<? extends Iterable<Test>>）阻止使用任何会将某个值插入列表中的变异函数，这个值确实是一个Iterable<Test>，但不是ArrayList<Test>。结果引用类型与其指示物协变，大致意思是可以安全地通过读取，但不能通过写入安全地进行操作。

- seh

Answer 4

不好的解决方案

如果有人感兴趣，这是我解决问题的方法。但这只是一个权宜之计，并不能解释为什么第一段代码片段无法工作：

import java.util.Iterator;
import java.util.ArrayList;

public class Test {
  public Test() {
    ArrayList<ArrayList<Test>> arr = new ArrayList();
    Iterable<Iterable<Test>> casted = (Iterable<Iterable<Test>>)(Iterable<?>)arr;
  }
}

这是一项不安全的操作。在这种情况下，因为Iterable是只读的，所以不会造成任何伤害，但是这个方法允许你将ArrayList<ArrayList>转换为ArrayList<LinkedList>，从而可能破坏arr。

好的解决方案

没有好的解决方案可以将ArrayList<ArrayList>转换为Iterable<Iterable>，原因如上所述。但是，您可以安全（并且隐式地）将ArrayList<ArrayList>转换为Iterable<? extends Iterable>，并像处理Iterable<Iterable>一样处理类型为Iterable<? extends Iterable>的变量。

您也可以隐式地将Iterable<Iterable>转换为Iterable<? extends Iterable>。

- lovasoa

---

不要这样做！这段代码通常是不安全的，因为你可以添加不是ArrayList的List，破坏了arr的类型安全性，而arr只允许包含ArrayList。这与说“List<String> l1 = null; List<Object> l2 = (List<Object>) (List<?>) l1; l2.add(new Object()); // l1 包含一个Object实例！”一样糟糕。 - bcsb1001

哎呀，我的意思是 l1 = new ArrayList<String>;，而不是 null，但你明白我的意思了。 - bcsb1001