Вариантность

Вариантность (Variances) - это указание определенной специфики взаимосвязи между связанными типам. Scala поддерживает вариантную аннотацию типов у обобщенных классов, что позволяет им быть ковариантными, контрвариантными или инвариантными (если нет никакого указания на вариантность). Использование вариантности в системе типов позволяет устанавливать понятные взаимосвязи между сложными типами, в то время как отсутствие вариантности может ограничить повторное использование абстракции класса.

class Foo[+A] // ковариантный класс
class Bar[-A] // контравариантный класс
class Baz[A]  // инвариантный класс

Ковариантность

Параметр типа A обобщенного класса можно сделать ковариантным с помощью аннотации +A. Для некоторого класса List[+A], указание A в виде коварианта подразумевает, что для двух типов A и B, где A является подтипом B, List[A] представляет собой подтип List[B]. Что позволяет нам создавать очень полезные и интуитивно понятные взаимоотношения между типами с использованием обобщений (generics).

Рассмотрим простую структуру классов:

abstract class Animal {
  def name: String
}
case class Cat(name: String) extends Animal
case class Dog(name: String) extends Animal

И Cat (кошка) и Dog(собака) являются подтипами Animal(животное). Стандартная библиотека Scala имеет обобщенный неизменяемый тип List[+A], где параметр типа A является ковариантным. Это означает, что List[Cat] - это List[Animal], а List[Dog] - это также List[Animal]. Интуитивно понятно, что список кошек и список собак - это список животных и вы должны быть в состоянии заменить любого из них на List[Animal].

В следующем примере метод printAnimalNames принимает в качестве аргумента список животных и выводит их имена в новой строке. Если бы List[A] не был ковариантным, последние два вызова метода не компилировались бы, что сильно ограничило бы полезность метода printAnimalNames.

object CovarianceTest extends App {
  def printAnimalNames(animals: List[Animal]): Unit = {
    animals.foreach { animal =>
      println(animal.name)
    }
  }

  val cats: List[Cat] = List(Cat("Whiskers"), Cat("Tom"))
  val dogs: List[Dog] = List(Dog("Fido"), Dog("Rex"))

  printAnimalNames(cats)
  // Whiskers
  // Tom

  printAnimalNames(dogs)
  // Fido
  // Rex
}

Контрвариантность

Параметр типа A обобщенного класса можно сделать контрвариантным с помощью аннотации -A. Это создает схожее, но противоположное ковариантным, взаимоотношения между типом параметра и подтипами класса. То есть, для некого класса Writer[-A], указание A контрвариантным подразумевает, что для двух типов A и B где A является подтипом B, Writer[B] является подтипом Writer[A].

Рассмотрим классы Cat, Dog, и Animal, описанные выше для следующего примера:

abstract class Printer[-A] {
  def print(value: A): Unit
}

Printer[A] - это простой класс, который знает, как распечатать некоторый тип A. Давайте определим подклассы для конкретных типов:

class AnimalPrinter extends Printer[Animal] {
  def print(animal: Animal): Unit =
    println("The animal's name is: " + animal.name)
}

class CatPrinter extends Printer[Cat] {
  def print(cat: Cat): Unit =
    println("The cat's name is: " + cat.name)
}

Если Printer[Cat] знает, как распечатать любой класс Cat в консоли, а Printer[Animal] знает, как распечатать любое Animal в консоли, то разумно если Printer[Animal] также знает, как распечатать любое Cat. Обратного отношения нет, потому что Printer[Cat] не знает, как распечатать любой Animal в консоли. Чтоб иметь возможность заменить Printer[Cat] на Printer[Animal], необходимо Printer[A] сделать контрвариантным.

object ContravarianceTest extends App {
  val myCat: Cat = Cat("Boots")

  def printMyCat(printer: Printer[Cat]): Unit = {
    printer.print(myCat)
  }

  val catPrinter: Printer[Cat] = new CatPrinter
  val animalPrinter: Printer[Animal] = new AnimalPrinter

  printMyCat(catPrinter)
  printMyCat(animalPrinter)
}

Результатом работы этой программы будет:

The cat's name is: Boots
The animal's name is: Boots

Инвариантность

Обобщенные классы в Scala по умолчанию являются инвариантными. Это означает, что они не являются ни ковариантными, ни контрвариантными друг другу. В контексте следующего примера класс Container является инвариантным. Между Container[Cat] и Container[Animal], нет ни прямой, ни обратной взаимосвязи.

class Container[A](value: A) {
  private var _value: A = value
  def getValue: A = _value
  def setValue(value: A): Unit = {
    _value = value
  }
}

Может показаться что Container[Cat] должен также являться и Container[Animal], но позволить мутабельному обобщенному классу быть ковариантным было бы небезопасно. В данном примере очень важно, чтобы Container был инвариантным. Предположим, что Container на самом деле был ковариантным, что-то вроде этого могло случиться:

val catContainer: Container[Cat] = new Container(Cat("Felix"))
val animalContainer: Container[Animal] = catContainer
animalContainer.setValue(Dog("Spot"))
val cat: Cat = catContainer.getValue // Ой, мы бы закончили присвоением собаки к коту.

К счастью, компилятор остановит нас прежде, чем мы зайдем так далеко.

Другие Примеры

Другим примером, который может помочь понять вариантность, является трейт Function1[-T, +R] из стандартной библиотеки Scala. Function1 представляет собой функцию с одним параметром, где первый тип T представляет собой тип параметра, а второй тип R представляет собой тип результата. Функция Function1 является контрвариантной в рамках типа принимаемого аргумента, а ковариантной - в рамках возвращаемого типа. Для этого примера мы будем использовать явное обозначение типа A =>B чтоб продемонстрировать Function1[A, B].

Рассмотрим схожий пример Cat, Dog, Animal в той же взаимосвязи, что и раньше, плюс следующее:

abstract class SmallAnimal extends Animal
case class Mouse(name: String) extends SmallAnimal

Предположим, что мы работаем с функциями, которые принимают типы животных и возвращают типы еды. Если мы хотим Cat => SmallAnimal (потому что кошки едят маленьких животных), но вместо этого мы получим функцию Animal => Mouse, то наша программа все равно будет работать. Интуитивно функция Animal => Mouse все равно будет принимать Cat в качестве аргумента, т.к. Cat является Animal, и возвращать Mouse - который также является и SmallAnimal. Поскольку мы можем безопасно заменить первое вторым, можно сказать, что Animal => Mouse аналогично Cat => SmallAnimal.

Сравнение с другими языками

В языках, похожих на Scala, разные способы поддержки вариантности. Например, указания вариантности в Scala очень похожи на то, как это делается в C#, где такие указания добавляются при объявлении абстракции класса (вариантность при объявлении). Однако в Java, указание вариантности задается непосредственно при использовании абстракции класса (вариантность при использовании).