C#中的协变(Covariance)和逆变(Contravariance)

摘要

● 协变和逆变的定义是什么？给我们带来了什么便利？如何应用？
　　● 对于可变的泛型接口，为什么要区分成协变的和逆变的两种？只要一种不是更方便吗？
　　● 为什么还有不可变的泛型接口，为什么有的泛型接口要故意声明成不可变的？
　　● 复合的可变泛型接口遵循哪些规则？
　　● 协变和逆变的数学定义是什么？如何利用数学模型解释C#4里的协变和逆变的规则？

前言

协变和逆变是c#4.0引入的新概念，主要是针对于泛型而言的。有了它们，我们可以更准确的定义泛型委托和接口。

首先举个栗子，比如IEnumerable<T> 接口是协变的，我们实现了一个这样的函数：

static void PrintPersonName(IEnumerable<Person> persons)
{
    foreach (Person person in persons)
    {
        Console.WriteLine(person.Name);
    }
}

那么PrintPersonName这个方法就可以接受任何Person类的子类型列表作为它的参数。比如，若Student是Person的子类，那么可以这样调用：

IList<Student> students = new List<Student>();
PrintPersonName(students);

在C#4.0之前，上面的语句是无法通过编译的，因为IEnumerable接口是不可变（invariant）的。PrintPersonName方法只能接受Person列表作为其参数。如果Person的子类想实现同样的功能就必须自己PrintName方法，或者将PrintPersonName方法定义为泛型方法：

static void PrintPersonName<T>(IEnumerable<T> persons) where T : Person
{
    foreach (Person person in persons)
    {
        Console.WriteLine(person.Name);
    }
}

上述方法可以运行的很好，但是不如直接协变接口这样简单明了。

协变和逆变的定义

1、不可变

如果一个接口的泛型参数没有in或out修饰符，它就是不可变的。比如IList<T>。我们既不能这样：

IList<Person> personList1 = null;
IList<Student> stuList = null;
personList1 = stuList; // 编译错误：无法将IList<Student>隐式转换为IList<Person>

也不能这样：

IList<Person> personList1 = null;
IList<Student> stuList = null;
stuList = personList1; // 编译错误：无法将IList<Person>隐式转换为IList<Student>

只能这样：

IList<Person> personList1 = null;
IList<Person> personList2 = null;
personList1 = personList2;

2、协变

如果一个接口的泛型参数有out修饰符，它就是协变的。比如IEnumerable<out T>。我们既可以这样：

IEnumerable<Person> persons1 = null;
IEnumerable<Person> persons2 = null;
persons1 = persons2;

也可以这样：

IEnumerable<Person> persons = null;
IEnumerable<Student> students = null;
persons = students; // 可以将IEnumerable<Student>隐式转换为IEnumerable<Person>

但不能这样：

IEnumerable<Person> persons = null;
IEnumerable<Student> students = null;
students = persons; // 无法将IList<Person>隐式转换为IList<Student>

3、逆变

如果一个接口的泛型参数有in修饰符，它就是逆变的。比如IComparer<in T>。我们既可以这样：

IComparer<Person> personComparer1 = null;
IComparer<Person> personComparer2 = null;
personComparer1 = personComparer2;

也可以这样：

IComparer<Person> personComparer = null;
IComparer<Student> studentComparer = null;
studentComparer = personComparer; // 可以把IComparer<Person>隐式转换为IComparer<Student>

但不能这样：

IComparer<Person> personComparer = null;
IComparer<Student> studentComparer = null;
personComparer = studentComparer; // 无法将IComparer<Student>隐式转换为IComparer<Person>

4、小结

• 协变和逆变是一对互斥的概念
• 只有接口和委托的泛型参数可以是协变或逆变的
• 协变的泛型参数只能作为方法的返回值的类型
• 逆变的泛型参数只能作为方法的参数的类型

C#中协变和逆变的设计

在C#4.0的基础类库中，一些接口的泛型参数分别用了in或out修饰，比如：

public interface IEnumerator<out T> : IDisposable, IEnumerator
{
    T Current { get; }
}
public interface IComparable<in T>
{
    int CompareTo(T other);
}

而另一些却没有：

public interface IList<T> : ICollection<T>, IEnumerable<T>, IEnumerable
{
    T this[int index] { get; set; }
    void Insert(int index, T item);
    void RemoveAt(int index);
}
public interface IEquatable<T>
{
    bool Equals(T other);
}

那么问题来了：

1、为什么 IComparable<in T> 被声明成逆变的而 IEquatable<T> 却被声明成不可变的？

2、为什么 IList<T> 被声明为不可变的？

简单来说，既然协变的接口的泛型参数只能作为函数的返回值，而逆变的接口的泛型参数只能作为函数的参数，那么像 IList<T> 这种 T 既要做为返回值又要作为参数的情况，自然只能声明为不可变的了。

3、为什么一个泛型参数不可以即是协变的又是逆变的？

简单来说是为了在编译期进行类型安全检查。

本文参考：http://www.cnblogs.com/1-2-3/archive/2010/09/27/covariance-contravariance-csharp4.html