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C#泛談 —— 變體（協變/逆變）

編輯：C#入門知識

有如下四個類。

=;

這樣的賦值肯定是沒問題的，但這只是多態。

變體的大概意思是：有T和U兩個類型，並且T = U （此處的等號為賦值）成立，如果T和U經過某種操作之後分別得到T’和U’，並且T’ = U’也成立，則稱此操作為協變；如果U’ = T’，則稱此操作為逆變。


T =
  ↓
Operation(T) = Operation(U);


T = U;
= Operation2(T);

一、特殊的協變——數組

我們常說協變和逆變是.net 4.0中引入的概念，但實際上並不是。其實只要符合上面定義的，都是變體。我們先來看一個.net 1.0中就包含的一個協變：

    Animal[] animalArray =  Dog[];

這個不是多態，因為Dog[]的父類不是Animal[]，而是object。
我們對照變體的定義來看一下，首先Animal = Dog，這個是成立的，因為Dog是Animal的子類；然後經過Array這個操作後，等式左右兩邊分別變成了Animal[]和dog[]，並且這個等式仍然成立。這已經是滿足協變的定義了。

可能有人會困惑，這為什麼等號就成立了呢？
我們有一點要明確的是，因為C#語言規定了Array操作是協變，並且Compiler支持了，所以等式就成立了。變體都是人為定的，你甚至可以規定任何操作都是協變或者逆變，無非就是使編譯和在運行期變體處的賦值通過。

我們再看一下Array的應用：

    Animal[] animalArray =  Dog[
    animalArray[] =  Bird();

上面的代碼能編譯通過，Line1處也能運行通過，但是到了Line2處就會拋異常，所以說雖然Array這個操作是一個協變，但並不是安全的，在某些時候還是會出錯。

至於說為什麼要支持Array這樣的協變，據Eric Lippert在Covariance and Contravariance in C#, Part Two: Array Covariance說，是為了兼容Java的語法，雖然他本人也不是很滿意這樣的設計。

二、委托中的變體

在.net 2.0中委托也支持了協變，不過暫時還只是支持方法的賦值。

考慮下面的代碼

    
     
     OnAnimalCatched(Animal animal) {}  
     OnDogCatched(Dog dog) {}  
= OnDogCatched; 
    catchDog = OnAnimalCatched;

同樣的，下面就是一個協變。

    
    
    Animal CatchAnAnimal() {   Animal(); } 
    Dog CatchADog() {   Dog(); } 
= CatchAnAnimal; 
    animalCatching = CatchADog;

至於Action<T>和Func<TResult>(.net 3.5)等泛型委托，其實也是如此，同樣只局限於方法給委托實例賦值，而不支持委托實例賦值給委托實例。下面的例子編譯時會報錯。

    Action<Animal> aa = animal =><Dog> ad = aa;

三、泛型中的變體

我們常說的協變和逆變，大多數指的是.net 4.0中引入的針對泛型委托和泛型接口的變體。

泛型委托

我們發現，到了.net 4.0，之前不能編譯的這段代碼通過了

    Action<Animal> aa = animal =><Dog> ad = aa;

其實是Action的簽名變了，多了in這個關鍵字。

       Action<T>(T obj); 
       Action< T>(T obj);

類似的，Func的簽名也變了，多了out關鍵字

      TResult Func<TResult>(); 
      TResult Func< TResult>();

in和out就是C# 4.0中用於在泛型中顯式的表示協變和逆變的關鍵字。in表示逆變參數，out表示協變參數。

對於泛型委托的變體這一塊上，.net 4.0相對於之前的版本主要增強的就是委托實例賦值委托實例（方法賦值給委托實例是.net 2.0就支持的）。

泛型接口

在.net 4.0以前，Array是協變的（盡管它不安全），但IList<T>卻不是，IEnumerable<T>也不是。而到了.net 4.0，我們終於可以這樣干了：

    IEnumerable<Animal> animals =  List<Dog>();

不過以下的操作還是會造成編譯失敗：

    <Animal> a2 =  List<Dog>();

究其原因，當然還是因為<T>在.net 4.0中是協變的，IList<T>不是：

      IEnumerable< T>  IList<T> : ICollection<T>, IEnumerable<T>, IEnumerable

那泛型接口既然有協變的，同樣也有逆變的，如<T>。

四、一些疑問

1，問：我們自定義的泛型接口和泛型委托是否可以隨便加上in/out關鍵字，來表明它是逆變或者協變的？

答：這個當然是不可能的，編譯器會校驗。

一般來說，如果一個泛型接口中，所有用到T的方法，都只將其用於輸入參數，則T可以是逆變參數；如果用到T的方法，都只將其用於返回值，則T可以是協變參數。

委托的。

2，問：既然in/out不能亂加，為什麼還要加呢？完全由編譯器來決定協變或者逆變的賦值不可以麼？

答：這個理論上應該是可以的，不過in/out關鍵字就像是一個泛型委托和泛型接口定義者同使用者之間的契約，必須顯式的指定使用方式，否則，程序中出現一些既不是多態，又沒有標明是協變或逆變，卻可以賦值成功的代碼，看起來比較混亂。

3，問：是不是所有的泛型委托和接口都遵從輸入參數是協變的，輸出參數是逆變的這一規律呢？

答：我們定義一個泛型委托Operate<T>，它的輸入參數是一個Action<T>

  Operate<T>(Action<T> action);


    Action<Mammal> MammalEat = mammal => Console.WriteLine(<Panda> PandaEat = panda =>    
    Operate<Mammal> MammalOperation = action => action( Dog()); 這裡是允許的。

然後我們可以執行下面的操作

    
    MammalOperation(MammalEat);

如果我們想讓這個泛型委托是一個變體，按照我們通常的理解，T是用作輸入參數的，那肯定就是逆變，應該加上in關鍵字。我們不考慮編譯器的提示，假設定義成這樣：

      Operate< T>(Action<T> action);

因為是逆變，所以，我們可以將Operate<Mammal>賦給Operate<Panda>

    Operate<Panda> PandaOperate = MammalOperation;

由於上面這個Operate的T已經改成了Panda，所以其對應參數Action的T也應該改為Panda，所以上面的“操作1”可以改成這樣：

    
    MammalOperation(PandaEat);

最終變成了PandaOperate = (new Dog())

    Operate<Animal> AnimalOperate = MammalOperation;

上面這個例子似乎說明了，也並不是所有的輸入參數都是逆變的？其實這已經不完全是一個輸入參數了，由於有Action<T>的影響，似乎就變成了“逆逆得協”？如果把Action<T>換成Func<T>，則Operate<T>就應該用in關鍵字了。是不是比較費腦？還好平時工作中很少碰到這種情況，更何況還有編譯器給我們把關。

以上內容參考自Eric Lippert的Covariance and Contravariance In C#系列，對.net中協變逆變的進化做了很詳細的描述，有興趣可以看一下。