「オーバーライドしません」というコンパイルエラーが発生する

Question

前提

Javaのオーバーライドやオーバーロードについて勉強しています。
勉強のためのサンプルコードを書くと、以下のエラーメッセージが発生しました。

実現したいこと

なぜ、このエラーが発生するのか、知りたいです。

ネットで調べたところ、このコンパイルエラーは、コンパイル前はオーバーロードとなるが、
コンパイル後はオーバーライドとなり、矛盾が生じるために発生するという認識です。

なぜ、このコードだとコンパイル前はオーバーロードとなるのか、
コンパイル後はオーバーライドとなるのか、知りたいです。

発生している問題・エラーメッセージ

名前の競合: 型 B のメソッド test(Set<String>) は型 A の test(Set<CharSequence>) と同じ erasure を持っていますが、オーバーライドしません

該当のソースコード

//A.java

import java.util.List;
import java.util.Set;

public class A {
　public List<Number> test (Set<CharSequence> s) {
　　return null;
　}
}

//B.java

import java.util.ArrayList;
import java.util.Set;

public class B extends A {
　public ArrayList<Integer> test(Set<String> s) {
　　return null;
　}
}

Answer 1

型イレージャ

jimbeさんが指摘されているように、この問題は型イレージャが原因で起こります。JVMはジェネリクスを知りません。

Javaの世界

Javaコンパイラはtestの引数の型Set<CharSequence>とSet<String>は別の型とみなします(非変)。testメソッドのシグネチャ(メソッド名と引数の型で決まる)はそれぞれ異なるので、メソッドがオーバーロードされています。

• Aのメソッド ... List<Number> test(Set<CharSequence>)
• Bのメソッド ... ArrayList<Integer> test(Set<String>)

JVMの世界

バイトコードが生成される時、型イレージャによってジェネリクスの型が消され、要素の型はraw型(Object)になります。ただし、それぞれのメソッド内部で、必要なキャスト(checkcast)はコンパイラが補います。このようにtestメソッドがオーバーライドされたことになります。

• Aのメソッド ... List test(Set)
• Bのメソッド ... ArrayList test(Set)

さて、これがコンパイルエラーにならず、仮にオーバーライドできたとすると、Aの型を持つ変数xにBのインスタンスを代入して x.test()を呼ぶとポリモーフィズムが働き、Bのtest()が呼ばれます。Aのtestの引数のSetにはStringBuilderを入れることができますが、Bのtest()は、処理の途中で、Setの要素をStringにキャストするのでエラーになります。

A x = new B();
Set<CharSequence> s = new HashSet<>(List.of(new StringBuilder()));
List<Number> l = x.test(s);

JavaとJVMの解釈に不整合が生じ実行時エラーがおきるため、コンパイルエラーにしているのだと思います。

【メソッドのオーバーライドについて(追記)】

メソッドがオーバーライド可能な条件
・メソッドのシグネチャが同一(メソッド名が同じ,メソッドの引数が同じ型で並びが同一)
・メソッドの戻り値の型が同一型か共変型(サブクラス、またはインターフェイスを実装するクラス)
・メソッドのアクセスレベルが同じか緩い

まずtestの戻り値が同一型か共変(covariant)型かです。
ArrayListはListを実装するので共変型

ところがジェネリクスを適用、コレクションが共変でも型パラメータが異なると非変(異なる型)になります。
ArrayList<Integer>とList<Number>は非変(nonvariant)
Set<Number>とSet<Integer>は非変

従って、Javaの世界ではメソッドの引数の型が異なるのでオーバーロード
しかし、JVMの世界ではオーバーライド（ArrayListはListを実装するので共変型）

【自然な解決案(追記)】

Aで定義するNumber , CharSequenceは抽象クラスなので、Aも抽象クラスとするのが自然です。メソッドがオーバーロードと解釈されないようにクラスに型パラメータを定義します。以下のBのtest()は、A<String, Integer>の定義に従って、AのメソッドList<Integer> test(Set<String> s)をオーバーライドします。

// A
import java.util.List;
import java.util.Set;

public abstract class A<T extends CharSequence, U extends Number> {
    public abstract List<U> test(Set<T> s);
}

// B
import java.util.ArrayList;
import java.util.Set;
import java.util.stream.Collectors;

public class B extends A<String, Integer> {
  @Override
  public ArrayList<Integer> test(Set<String> s) {
    return s.stream().map(x -> Integer.valueOf(x)).collect(Collectors.toCollection(ArrayList::new));
  } 
}

以下は参考とします

参考

testメソッドの目的は、Set<T> -> List<U>に変換することです。本質はコレクションに関係なく、TをUに変換することですから、継承によって T -> U を解決します。

import java.util.List;
import java.util.Set;
import java.util.stream.Collectors;

public abstract class A<T extends CharSequence, U extends Number> {
  public final List<U> test(Set<T> s) {
    return s.stream().map(x -> convert(x)).collect(Collectors.toList());
  }
  public abstract U convert(T t);
}

public class B extends A<String, Integer> {
  public Integer convert(String a) {
    return Integer.valueOf(a);
  }
}

この解決法をTemplate Methodパターンと呼びます。関数型インターフェースが登場してからTemplate Methodパターンは使わず、変換用の関数 T -> U を与えるようになりました。

public class A<T extends CharSequence, U extends Number> {
  public List<U> test(Set<T> s, Function<T,U> f) {
    return s.stream().map(x -> f.apply(x)).collect(Collectors.toList());
  }
}
public class B extends A<String, Integer> {}

もっと良い解決案があるかもしれません。
継承は使えないので、型パラメータを使ってコレクションの共通処理を記述するのが良いでしょう。

Comments

[xebme]

説明が飛躍している箇所があります。不変、共変と、オーバーライドされたメソッドの引数と戻り値について、解説が必要です。

[xebme]

Bのtest()の戻り値がArrayListだったので修正しました。
メソッドのオーバーライドの条件と自然な解決案を追記しました。

[xebme]

不変(invariant)は正しくは非変(nonvariant)でした。
共変はvariantではなくcovariantです。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%B1%E5%A4%89%E6%80%A7%E3%81%A8%E5%8F%8D%E5%A4%89%E6%80%A7_(%E8%A8%88%E7%AE%97%E6%A9%9F%E7%A7%91%E5%AD%A6)
Javaでは、共変、非変の理解は必須です。(参考:リスコフの置換原則に従うと、サブクラスでオーバライドするメソッドの戻り値はスーパークラスのメソッドの戻り値の共変、引数は反変になります。)
不変(invariant)はメソッドの不変条件を意味しジェネリクスとは別の概念。

[xebme]

【結論】

コレクション<型パラメータ>
- コレクションが共変または同じで、型パラメータが同じなら、共変
- コレクションが共変または同じで、(型パラメータに継承関係があっても)型パラメータが異なるなら、非変

質問の例は非変なのでサブクラスでオーバーライドすることはできません。解答は技巧の遊びにすぎません。実務では参考コードの方が役立つでしょう。もちろんクラスBは定義しません。Stream.map()に渡す関数を変えるだけです。

Answer 2

java のジェネリクスの型情報はバイトコードに入りません。
ですので test メソッドのパラメータ s は、ソースコード上は違う型でもバイトコード上は同じ型となります。