了解C#的协变和逆变

前言

在引用类型系统时，协变、逆变和不变性具有如下定义。 这些示例假定一个名为 Base 的基类和一个名为 Derived的派生类。

• Covariance

使你能够使用比原始指定的类型派生程度更大的类型。

你可以将 IEnumerable 的实例分配给 IEnumerable 类型的变量。

• Contravariance

使你能够使用比原始指定的类型更泛型（派生程度更小）的类型。

你可以将 Action 的实例分配给 Action 类型的变量。

• Invariance

表示只能使用最初指定的类型。 固定泛型类型参数既不是协变，也不是逆变。

你无法将 List 的实例分配给 List 类型的变量，反之亦然。

以上来自于官方文档对协变、逆变、不变性的解释

为啥C#需要协变和逆变？

我们首先来看一段代码：

class FooBase{ }

class Foo : FooBase 
{

}

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

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

因此，在这里实际上可以回答，C#的协变和逆变就是主要有两种目的：

• 兼容性：.NET2.0就推出了泛型，而从.NET 2.0到.NET 3.5期间不支持对泛型接口中的占位符T支持隐式转换，因此在.NET4.0推出协变和逆变
• 为了支持更广泛的隐式类型的转换，在这里就是在泛型体系中支持

在C#中，目前只有泛型接口和泛型委托可以支持协变和逆变，

协变(Covariance)

内置的泛型协变接口，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; }
    }

因此这段代码在.NET4.0及以上版本将不会编译报错：

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

实际上，对于协变，有下面的约束，否则则会在编译时报错：

• 泛型参数占位符以out关键子标识，并且占位符T只能用于只读属性、方法或者委托的返回值，out简而易懂，就是输出的意思
• 当要进行类型转换，占位符T要转换的目标类型也必须是其基类，上述例子则是Foo隐式转为FooBase

逆变(Contravariance)

内置的泛型逆变委托Action、Func 、Predicate，内置的泛型逆变接口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);
  }

而逆变的用法则是这样：

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

Action<Foo> fooAction = fooBaseAction;

而对于逆变，则跟协变相反，有下面的约束，否则也是编译时报错：

• 要想标识为逆变，应该是要在占位符T前标识in，只能用于只写属性、方法或者委托的输入参数
• 当要进行类型转换，占位符T要转换的目标类型也必须是其子类，上述例子则是FooBase转为Foo

总结

• 协变和逆变只对泛型委托和泛型接口有效，对普通的泛型类和泛型方法无效
• 协变和逆变的类型必须是引用类型，因为值类型不具备继承性，因此类型转换存在不兼容性
• 泛型接口和泛型委托可同时存在协变和逆变的类型参数，即占位符T

参考

• 泛型中的协变和逆变 | Microsoft Docs
• 《你必须知道的.NET（第2版）》