从面向对象说起
Java作为一门面相对象的语言，当然是支持面相对象的三大基本特性的，反手就蹦出三个词：封装、继承、多态。
我们假设有三个类，动物、猫、狗。父类是动物Animal，有两个子类猫Cat和狗Dog。
那在Java中或其它任何支持面相对象的语言中，子类可以把引用赋值给父类。下面这段代码没有任何问题：
Animal animalOne = new Cat(); Animal animalTwo = new Dog();
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理论上来说，一只猫是一只动物，一只狗也是一只动物，所以这完全是可以理解的。其实，这也是SOLID原则中的“里氏替换原则”的一种体现。
数组的协变
如果一只猫是一只动物，那一群猫是一群动物吗？一群狗是一群动物吗？Java数组认为是的。于是你可以这样写：
Animal[] animals = new Cat[2];
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这看起来也没有什么问题。但既然都是一群动物了，我往这一群动物中添加一只猫、一只狗，它还是一群动物，这应该是合理的对吧？来看看这段代码：
Animal[] animals = new Cat[2];
animals[0] = new Cat();
// 下面这行代码会抛运行时异常 animals[1] = new Dog();
Animal animal = animal[0];
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很好，编译没有任何问题。但是一运行，会抛出一个运行时异常：ArrayStoreException。这个异常头顶的注释已经写得很明显了，如果你往数组中添加一个类型不对的对象，就会抛这个异常。它是从JDK 1.0就存在的一个异常。
这么一想，对啊，animals虽然门面上是一个Animal数组，但是它运行时的本质还是一个Cat数组啊，一个Cat数组怎么能添加一个Dog呢？但Java编译器并没有这么智能，而且上述代码在编
译器看来也是合理合法的，所以也就让它编译过了。
所以这种情况，编译器100%过，而运行时100%抛异常，这不是大写的BUG是啥？
如果Cat是Animal的子类型，那么Cat[]也是Animal[]的子类型，我们称这种性质为协变（covariance）。Java中，数组是协变的。
泛型的不变性
在Java 1.5之前，是没有泛型的。那个时候从集合中存取对象都是Object类型，所以每次取出对象后必须进行强转：
List list = new LinkedList();
list.add(123);
list.add(“123”);
int a = (int)list.get(0);
// 下面这段代码会在运行时抛异常 int b = (int)list.get(1);
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如果不小心存入集合中对象类型是错的，会在运行时报强转异常。而1.5提供泛型以后，可以让编译器自动帮助转换，并对代码进行检查，使程序更加安全。
在Java8又加入了泛型的类型推导功能，使用泛型以后，我们的代码看起来变得简洁又安全了：
List list = new LinkedList<>();
list.add(123);
// 下面这局代码编译节点会报错 list.add(“123”);
int a = list.get(0);
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《Effective Java》中，第28条（第三版）说，列表优先于数组。Java在使用列表+泛型时，吸取了上面数组的教训。前面提到，Java中数组是协变的，所以会有些问题。而Java中的泛型是不变（invariance）的，也就是说，List并不是List的子类型。所以像下面这样写，编译器会直接报错。
List cats = new LinkedList<>();
// 编译器报错 List animals = cats;
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这样就可以在编译期对代码进行检查，防止它在运行期才发现错误抛异常。
不变不能解决所有问题
泛型是不变的，所以我们使用泛型的时候，能够更加安全。
但是在使用一门面向对象的语言中，我们难免会有需要集合也支持一些面向对象的特性的场景。我们可以简单地把它们分成生产场景和消费场景。
消费场景的协变
比如，我希望有一个Animal的集合，我不用去管它里面存的具体类型是什么，但我每次从这个集合取出来的，一定是一个Animal或其子类。这是一种典型的消费场景，从集合中取出元素来消费。
在消费场景，Java提供了通配符和extends关键字来支持泛型的协变。来看看这段代码：
List animals = new LinkedList();
// 以下四行代码都不能编译通过
// animals.add(new Dog());
// animals.add(new Cat());
// animals.add(new Animal());
// animals.add(new Object());
// 可以添加null，但没意义 animals.add(null);
// 可以安全地取出来 Animal animal = animals.get(0);
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也就是说，虽然因为泛型的不变性，List并不是List的子类型，但Java通过其它方式来支持了泛型的协变，List是List的子类型。与此同时，Java在编译器层面通过禁止写入的方式，保证了协变下的安全性。
为什么协变下不能写入呢？因为协变下写入是不安全的，想想文章最开头那个数组的协变的例子。
生产场景的逆变
我们希望有一个集合，可以往里面写入Animal及其子类。那可以通过super关键字来定义泛型集合：
// 下面这行代码编译不通过
// List animals = new LinkedList();
// 下面都是OK的写法
// List animals = new LinkedList();
// List animals = new LinkedList();
// 等价于上面一行的写法 List animals = new LinkedList<>();
animals.add(new Cat());
animals.add(new Dog());
// 取出来一定是Object Object object = animals.get(0);
// 这样写是OK的 List cats = new LinkedList();
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逆变（contravariance），也称逆协变，从名字可以看出来，它与协变的性质是相反的。也就是说，List是List的子类型。
上界和下界
我们会在很多资料里看到对Java中泛型extends和super关键字的解读，说extends决定了上界，super决定了下界。
为什么这么说呢？其实看完上面两个小节，你会明白，这里的上界和下界，其实本质上指的是，在定义泛型的时候，子类型的边界。换句话说，在运行时真正的类型。
我们用X来指代类型，看看下面两行代码：
// X可以是Animal及其子类，Animal是X的上界 List animals = new LinkedList(); // X可以是Cat及其父类，Cat是X的下界 List cats = new LinkedList(); 1 任意类型通配符 在Java代码中，你可能还看到这种写法：，它代表任意类型通配符。老规矩，直接上代码：
List anyOne = new LinkedList(); List anyTwo = new LinkedList();
List anyThree = new LinkedList(); // anyFour等价于anyThree的写法 List anyFour = new LinkedList<>();
// 这种写法编译不通过
// List anyFive = new LinkedList();
// 具有extends和super的性质
// 这种写法编译不通过
// anyOne.add(new Cat());
// anyOne.add(new Object());
// 能取出来Object类型 Object o = anyOne.get(0);
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也就是说，它是“无界”的，对于任意类型X，List都是List的子类型。但List不能add，get出来也是Object类型。它同时具有协变和逆变的两种性质，上界是Object，但不能调用add方法。
那它与List有什么区别呢？根据前面的推断，有两个比较明显的区别：
List可以调用add方法，但List不能。 List可以协变，上界是Object，但List不能协变。
Collection源码解读
看到这里你可能还有一些疑惑，什么时候应该用泛型的协变、逆变呢？我们来看看Collection接口的几个方法签名（JDK 1.8版本）。
boolean add(E e);
boolean addAll(Collection c); boolean contains(Object o); boolean containsAll(Collection c);
default boolean removeIf(Predicate filter)
{
Objects.requireNonNull(filter);
boolean removed = false;
final Iterator each = iterator();
while (each.hasNext())
{
if (filter.test(each.next()))
{
each.remove();
removed = true;
}
}
return removed; }
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add和addAll
首先我们来看add和addAll方法。下面这段代码：
Collection animals = new LinkedList<>();
animals.add(new Cat());
animals.add(new Animal());
Collection cats = new LinkedList<>();
Collection objects = new LinkedList<>();
animals.addAll(cats);
// 以下代码编译不通过，因为不安全 animals.addAll(objects);
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为什么这段代码可以编译通过且运行时安全？对于animals，它的泛型是，根据里氏替换原则，add方法可以添加Animal及其子类对象。
而对于addAll方法来说，因为方法参数声明的是，而这里的E是我们声明Collection用的泛型Animal，所以其实addAll的方法参数类型是Collection。
结合前文我们知道，这里应用了协变的特性，Collection在参数传递的时候被转换成了Collection。
而我们看源码可以发现，这里的参数传进来之后，是只读的，也就是只有消费场景，所以可以使用协变。而如果是allAll(Collection c)这种方法参数的话，就不能支持上述代码，往其中添加一个cats了。
contains和containsAll
contains方法没有使用泛型，而是直接使用了一个Object对象，它可以在任何时候调用。那为什么contains方法不像add方法一样，使用泛型，是contains(T t)呢？
因为如果这样定义了的话，contains方法也会像add方法一样，受到协变的限制，声明为Collection的对象就不能使用contains方法了。尽管我们确信在contains方法内部并不会修改List中的对象（因此不会有类型安全的问题）。在Java中我们没有办法解决这个问题，因此，只能写成contains(Object o)。
对于containsAll方法，先看看这段代码：
Collection animals = new LinkedList<>();
Collection cats = new LinkedList<>();
Collection objects = new LinkedList<>();
animals.containsAll(cats);
animals.containsAll(objects);
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为什么containsAll的方法参数是Collection c呢？
首先，不能用Collection c，因为这样的话，就不能协变了，上述代码animals.containsAll(cats)就会编译不通过，尽管我们知道这段代码是安全的。
然后，为什么不能像allAll方法那样，用协变Collection c呢？因为我们知道，containsAll方法对Collection没有副作用，而addAll有。所以我们不能animals.addAll(objects)，但可以animals.containsAll(objects)。在此我向大家推荐一个架构学习交流圈。交流学习指导伪鑫：1253431195（里面有大量的面试题及答案）里面会分享一些资深架构师录制的视频录像：有Spring，MyBatis，Netty源码分析，高并发、高性能、分布式、微服务架构的原理，JVM性能优化、分布式架构等这些成为架构师必备的知识体系。还能领取免费的学习资源，目前受益良多
最后，为什么又不能用逆变Collection c呢？因为这样的话，就不能让animals.containsAll(cats)编译通过了。
所以只能选择Collection c。它是无界的，且具有协变性质，且取出来是Object对象，刚好内部实现也是循环去调用contains方法，与contains方法的参数类型Object一致。
同理，remove和removeAll和这两个方法是类似的写法，这里就不过多描述了。
removeIf
这个方法的参数是一个Predicate。用过Java 8的都知道，这是一个函数式接口。在这里使用了逆变，Predicate filter定义了filter的下界。对于Predicate来说，这里是一个生产场景，所以应该使用逆变。
这里为什么要用逆变其实也很简单，因为在调用removeIf的时候，我们只能保证animals里面的元素是Animal，但我们并不知道具体的子类型。所以下面这种代码是不安全的，
Collection animals = new LinkedList<>();
Predicate catPredicate = cat -> true;
// 因为removeIf逆变的限制，所以下面这行代码编译不通过 animals.removeIf(catPredicate);
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对我们日常工作有什么用？
看到这里，可能有的朋友已经开始吐槽了，我有必要了解这些吗？面试造火箭，工作拧螺丝？
其实不然，泛型是Java乃至很多面向对象语言的一种最基本的语言特性，所以知道它为什么这么设计是非常重要的。平时我们看源码的时候，看到这样的代码才会心中有数。
另一方面，随着编程水平的提高，难免有一些比较复杂的代码设计，或多或少会使用到泛型。合理地使用泛型、结合泛型的协变和逆变的特性能够让我们的代码变得更安全，比如上面Collection中用到的Predicate，就用了逆变的性质。
简单总结一下，Java的数组是协变的，泛型是不变的。但泛型可以通过extends关键字实现协变，通过super关键字实现逆变，分别应用于不同的场景。协变应用于消费场景，定义了上界。逆变应用于生产场景，定义了下界。
当然了，不同语言有不同的解决方案。后面会有一篇文章为大家分享Kotlin是如何设计泛型和协变/逆变的，敬请期待~