了解C#的協變和逆變

前言

在引用類型系統時，協變、逆變和不變性具有如下定義。 這些示例假定一個名為 Base 的基類和一個名為 Derived的派生類。

• Covariance

使你能夠使用比原始指定的類型派生程度更大的類型。

你可以將 IEnumerable 的實例分配給 IEnumerable 類型的變量。

• Contravariance

使你能夠使用比原始指定的類型更泛型（派生程度更小）的類型。

你可以將 Action 的實例分配給 Action 類型的變量。

• Invariance

表示只能使用最初指定的類型。 固定泛型類型參數既不是協變，也不是逆變。

你無法將 List 的實例分配給 List 類型的變量，反之亦然。

以上來自於官方文檔對協變、逆變、不變性的解釋

為啥C#需要協變和逆變？

我們首先來看一段代碼：

class FooBase{ }

class Foo : FooBase 
{

}

var foo = new Foo();
FooBase fooBase = foo;

//以下代碼在.NET 4.0之前是不被支持的
IEnumerable<Foo> foo = new List<Foo>();
IEnumerable<FooBase> fooBase = foo;

因此，在這里實際上可以回答，C#的協變和逆變就是主要有兩種目的：

• 兼容性：.NET2.0就推出了泛型，而從.NET 2.0到.NET 3.5期間不支持對泛型接口中的占位符T支持隱式轉換，因此在.NET4.0推出協變和逆變
• 為了支持更廣泛的隱式類型的轉換，在這里就是在泛型體系中支持

在C#中，目前只有泛型接口和泛型委托可以支持協變和逆變，

協變(Covariance)

內置的泛型協變接口，IEnumerator<T>、IQuerable<T>、IGrouping<Tkey, TElement>:

    public interface IEnumerable<out T> : IEnumerable
    {
        new IEnumerator<T> GetEnumerator();
    }


    public interface IQueryable<out T> : IEnumerable<T>, IEnumerable, IQueryable
    {

    }


    public interface IGrouping<out TKey, out TElement> : IEnumerable<TElement>, IEnumerable
    {
      TKey Key { get; }
    }

因此這段代碼在.NET4.0及以上版本將不會編譯報錯：

IEnumerable<Foo> foo = new List<Foo>();
IEnumerable<FooBase> fooBase = foo;

實際上，對於協變，有下面的約束，否則則會在編譯時報錯：

• 泛型參數占位符以out關鍵子標識，並且占位符T只能用於只讀屬性、方法或者委托的返回值，out簡而易懂，就是輸出的意思
• 當要進行類型轉換，占位符T要轉換的目標類型也必須是其基類，上述例子則是Foo隱式轉為FooBase

逆變(Contravariance)

內置的泛型逆變委托Action、Func 、Predicate，內置的泛型逆變接口IComparable<T>、IEquatable<T>:

  public delegate void Action<in T>(T obj);

  public delegate TResult Func<in T, out TResult>(T arg);

  public delegate bool Predicate<in T>(T obj);


  public interface IComparable<in T>
  {
    int CompareTo(T? other);
  }

  public interface IEquatable<T>
  {
    bool Equals(T? other);
  }

而逆變的用法則是這樣：

Action<FooBase> fooBaseAction = new Action<FooBase>((a)=>Console.WriteLine(a));

Action<Foo> fooAction = fooBaseAction;

而對於逆變，則跟協變相反，有下面的約束，否則也是編譯時報錯：

• 要想標識為逆變，應該是要在占位符T前標識in，只能用於只寫屬性、方法或者委托的輸入參數
• 當要進行類型轉換，占位符T要轉換的目標類型也必須是其子類，上述例子則是FooBase轉為Foo

總結

• 協變和逆變只對泛型委托和泛型接口有效，對普通的泛型類和泛型方法無效
• 協變和逆變的類型必須是引用類型，因為值類型不具備繼承性，因此類型轉換存在不兼容性
• 泛型接口和泛型委托可同時存在協變和逆變的類型參數，即占位符T

參考

• 泛型中的協變和逆變 | Microsoft Docs
• 《你必須知道的.NET（第2版）》