.NET C#杂谈（1）：变体 - 协变、逆变与不变

0. 文章目的：

  介绍变体的概念，并介绍其对C#的意义

1. 阅读基础

  了解C#进阶语言功能的使用（尤其是泛型、委托、接口）

2. 从示例入手，理解变体

  变体这一概念用于描述存在继承关系的类型间的转化，这一概念并非只适用于C#，在许多其他的OOP语言中也都有变体概念。变体一共有三种：协变、逆变与不变。其中协变与逆变这两个词来自数学领域，但是其含义和数学中的含义几乎没有关系（就像编程语言的反射和光的反射之间的关系）。从字面上来看这三种变体的名字多少有点唬人，但其实际意思并不难理解。广泛来说，三种变体的意思如下：

• 协变（Covariance）：允许使用派生程度更大的类型
• 逆变（Contravariance）：允许使用派生程度更小的类型
• 不变（Invariance）：只允许目标类型

  或者换一种更具体的说法：

• 协变（Covariance）：若类型A为协变量，则需要使用类型A的地方可以使用A的某个子类类型。
• 逆变（Contravariance）：若类型A为逆变量，则需要使用类型A的地方可以使用A的某个基类类型。
• 不变（Invariance）：若类型A为不变量，则需要使用类型A的地方只能使用A类型。

（注意是‘协变/量’而不是‘协/变量’）

  为了方便说明三者的含义，先定义两个类：

class Cat { }
class SuperCat : Cat { }

  上述代码定义了一个Cat类，并从Cat类派生出一个SupreCat类，如无特殊说明，后文的所有代码都会假设这两个类存在。下面利用这两个类逐一说明三种变体的含义。

2.1 协变：在一个需要Cat的场合，可以使用SuperCat

  例如，对于下列代码：

Cat cat = new SuperCat();

  cat是一个引用Cat对象的变量，从类型安全的角度来说，它应该只能引用Cat对象，但是由于通常子类总是可以安全地转化为其某一基类，因此你也可以让其引用一个SuperCat对象。要实现这种用子类代替基类的操作就需要支持协变，由于OOP语言基本都支持子类向基类安全转化，所以协变在很多人看来是很十分自然的，也容易理解。

2.2 逆变：在一个需要SuperCat的场合，可以使用Cat

  逆变有时也被称为抗变，你可能会觉得逆变的含义非常让人迷惑，因为通常来说基类是不能安全转化为其子类的，从类型安全的角度来看，这一概念应该似乎没有实际的应用场合，尤其是对于静态类型的语言。然而，考虑以下代码：

delegate void Action<T>();

void Feed(Cat cat)
{
    ...
}

Action<SuperCat> f = Feed;

  Feed是一个‘参数为Cat对象的方法’，而f是一个引用‘参数为SuperCat对象的方法’的委托。从类型安全的角度来说，委托f应该只能引用参数为SuperCat对象的方法。然而如果你仔细思考上述代码，就会意识到既然委托f在调用时需要传入的是一个SuperCat对象，那么可以处理Cat类型的Feed方法显然也可以处理SuperCat（因为SuperCat可以安全转化为Cat），因此上面的代码从逻辑上来说是可以正常运行的。那么也就是说，本来需要SuperCat类型的地方（这里是委托的参数类型）现在实际给的却是Cat类型，要实现这种用基类代替子类的操作就需要逆变。

  不过，结合上述，你会发现所谓逆变实际还是依靠‘子类可以向基类安全转化’这一原则，只是因为我们是从委托f的角度去考虑而已。

2.3 不变：在一个需要Cat的场合，只能使用Cat

  相比逆变和协变，不变更容易理解：只接受指定类型，不接受其基类或者子类。比如如果Cat类型具有不变性，那么下述代码将无法通过编译：

Cat cat = new SuperCat(); // 错误，cat只能引用Cat类型

  显然不变从表现上来说是理所当然与符合常识的，故本文主要阐述协变与抗变。

3. C#中的变体

3.1 C#中的变体

  同大多数语言一样，C#同样遵循‘基类引用可以指向子类’这一基本原则，因此对C#来说协变是普遍存在的：

Feed(Cat cat)
{
    ...
}

Cat cat = new SuperCat();           // 本来需要指向Cat对象的变量cat被指向了SuperCat对象，利用了协变性
SuperCat superCat = new SuperCat();
Feed(superCat);                     // 同理，Feed方法需要Cat对象但是传入的是SuperCat对象，利用了协变性

  C#中的不变体现在值类型上，这是因为值类型都不允许继承与被继承，自然也不存在基类或子类的概念，也不存在类型间通过继承转化的情况。

  C#中的逆变在一般情况下没有体现，因为将基类转化为派生类是不安全的，C#不支持这种操作。所以逆变对C#来说很多时候其实只是概念上的认识，真正让逆变对C#有意义的情况是使用泛型的场合，这在接下来就会提到。

  从学习语言语法的角度来说，了解变体对学习C#的帮助其实不大，但如果想更进一步理解C#中泛型的设计原理，就有必要理解变体了。

3.2 泛型与变体

  理解变体对理解C#的泛型设计原理有重要意义，C#中泛型的类型参数默认为不变量，但可以是out与in关键字来指示类型为参数为协变量或者逆变量。简单来说，in关键字用于修饰输入参数的兼容性，out关键字用于修饰输出参数的兼容性。这一节会通过具体的泛型使用示例来解释变体概念对C#泛型的意义。

3.2.1 泛型委托

  （1）输入参数的兼容性：逆变

  考虑下面的泛型委托声明：

delegate void Action<T>(T arg);

  上述委托可以接受一个参数类型为T，返回类型为TReturn的委托。下面来定义一个方法：

void Feed(Cat cat)
{

}

  Foo是一个接受一个Cat对象，并返回一个SuperCat对象的方法。因此，下面的代码是理所当然的：

Action<Cat> act = Feed;

  然而，从逻辑上来讲，下面的代码也应该是合法的：

Action<SuperCat> act = Feed;

  委托act接受的参数类型为SuperCat，也就是说当调用委托act的时候传入的将会是一个SuperCat对象，显然SuperCat对象可以安全地转换为Foo所需要的Cat对象，因此这一转变是安全的。我们以委托act的视角来看：本来act应该引用的是一个‘参数类型为SuperCat’的方法，然而我们却把一个‘参数类型为Cat的’Feed方法赋值给了它，但结合上面的分析我们知道这一赋值行为是安全的。也就是说，本来此时泛型委托Action<T>中泛型类型参数T需要的类型是SuperCat，但现在实际给的类型却是Cat：

（红色是方法参数类型）

  Cat是SuperCat的基类，也就是说这时候泛型委托Action<T>的类型参数T这个位置上出现了逆变。尽管从逻辑上来说这是合理的，但是C#中泛型类型参数默认具有不变性，因此如果要使上述代码通过编译，还需要将泛型委托Func的类型参数T声明为逆变量，在C#中，可以通过在泛型类型参数前添加in关键字将泛型参数声明为逆变量：

delegate void Action<in T>(T arg);

  （2）：输出参数的兼容性：协变  

  另一方面，下面的代码从逻辑上说也应该是合法的：

delegate T Func<T>();

SuperCat GetSuperCat()
{
    ...
}

Func<Cat> func = GetSuperCat;

  委托func被调用时需要返回一个Cat对象，而GetSuperCat返回的是一个SuperCat对象，这显然是满足func的要求的：

  同样以委托func的视角来看，本来需要类型Cat的地方现在实际给的类型是SuperCat，也就是说，此时出现了协变。同样的，如果要使上述代码通过编译，应该需要将Func的类型参数T声明为协变量，可以在泛型参数前添加out关键字将泛型类型参数声明为协变量：

delegate T Func<out TReturn>();

3.2.2 泛型接口

（1）输出参数的兼容性：协变

  假设现有以下用于表示集合的接口声明与实现该接口的泛型类：

interface ICollection<T>
{
}

class Collection<T> : ICollection<T>
{
}

  根据上述定义，理所当然的，下面的语句是合法的：

ICollection<Cat> cats = new Collection<Cat>();

  然而，从逻辑上讲，下面的语句也应该是合法的：

ICollection<Cat> cats = new Collection<SuperCat>();

  原因如下：既然SuperCat是Cat的子类，那么Collection中的任意一个SuperCat对象都应该可以安全转化为Cat对象，那么SuperCat的集合也应该视为Cat的集合。从事实上讲，若对任何一个需要Cat对象集合的方法，即便传入的是一个SuperCat对象的集合也应该可以正常工作。同样以类型为ICollection<Cat>的接口变量cats的视角来看，ICollection<Cat>类型上本来应该为Cat类型的地方现在被SuperCat类型所替代：

  SuperCat代替了Cat，也就是说出现了协变，那么如果要使上述代码通过编译，则需要将类型参数T声明为协变量：

interface ICollection<out T>
{
}

  C#中的IEnumerable接口就将其类型参数T声明为了协变量，因此下面的代码可以正常运行：

IEnumerable<Cat> cats = new List<SuperCat>();

（2）输入参数的兼容性：逆变  

  接着再来考虑一个接口与实现类：

interface IHand<T>
{
    void Pet(T animal);
}

class Hand<T> : IHand<T>
{
    void Pet(T animal) { ... }
}

  下面的代码应该是合理的：

SuperCat cat = new SuperCat();
IHand<SuperCat> hand = new Hand<Cat>();
hand.Pet(cat);

  原因如下：实现IHand<Cat>接口的Hand<Cat>的Pet方法可以处理Cat类型，显然其应该也可以处理作为Cat子类的SuperCat。同样的，以类型为IHand<SuperCat>的接口变量hand来看，本来应该需要类型为SuperCat的地方现在实际却是Cat类型：

  Cat替代了SuperCat，也就是说此时发生了逆变。同样的，如果要让上述代码通过编译，需要将IHand<>的类型参数T声明为逆变量：

interface IHand<in T>
{
    void Pet(T animal);
}

  这样下述代码就可以通过编译：

IHand<SuperCat> hand = new Hand<Cat>();

3.2.3 泛型方法

  与泛型委托和泛型接口不同的是，泛型方法不允许修改类型参数的变体类型，泛型方法的类型参数只能是不变量，因为让泛型方法的类型参数为变体没有意义。一方面，泛型方法的类型参数会在方法被调用时直接使用目标类型，因此不存在需要变体的情况：

void Pet<T>(T cat)
{
    ...
}

Pet(new Cat());      // 此时T为Cat
Pet(new SuperCat()); // 此时T为SuperCat

  另一方面，你不能给一个方法赋值。

TReturn Foo<T, TReturn>(T t)
{
    ...
}

Foo = ...; // ???

  显然上述代码是无法通过编译的。综上，给泛型方法的类型参数定义为协变量或者逆变量是没有意义的，因此也没有必要提供这一功能。

3.2.4 泛型类

  C#中的泛型类的类型参数同样只允许为不变量，这里以常用的泛型List<>为例，下面的代码是不允许的：

List<Cat> cats = new List<SuperCat>();

  哪怕从概念上说一个SuperCat的对象的集合用于需要Cat对象的集合的场景是合法的，但是这一行为确实是不允许的，原因是CLR不支持。此外，C#限制协变量只能为方法的返回类型（后文会解释），所以下面的类定义是不可行的：

class Foo<out T>
{
    public T Get() { }              // 可以，协变量用于返回类型
    public Set(T arg) { }           // 错误，协变量不可用于方法参数
    public T Field;                 // 错误，参数类型T既不是作为方法的返回类型，也不是作为方法的参数
}

  既然连字段的类型都不能是协变的泛型类型，那么显然这样的类没有太大的意义。由于以上原因，泛型变体对于定义泛型类的意义不大。

4. 变体限制

  C#对泛型中允许变体的类型参数有严格的使用限制，主要限制如下：

1. 协变量只能作为输出参数（方法的返回值，不包out参数）
2. 逆变量只能作为输入参数（方法的参数，不包括in、out以及ref参数）
3. 只能是不变量、协变量或者逆变量三者之一

  上述限制也说明了为何C#选择用out关键字来修饰协变量，in关键字来修饰逆变量。如果没有以上限制，可能出现一些很奇怪的操作，例如：

（1）假设：协变量可用于输入参数：

delegate void Action<out T>(T arg); // 此处协变量T作为了方法参数

void Call(SuperCat cat)
{

}

Action<Cat> f = GetCat;

  上述代码中当委托f被调用时可能会传入一个Cat对象，然而其引用Call方法需要的是一个SuperCat对象，此时Cat类型无法安全转化为SuperCat类型，因此会出现运行时错误。

（2）假设：逆变量可用于方法的输出参数

delegate T Func<in T>(); // 此处类型参数T作为了方法返回类型

Cat GetCat()
{
    ...
}

Func<SuperCat> f = GetCat;

  上述代码中当委托f被调用后，应当返回一个SuperCat对象，然而其引用的GetCat方法返回的只是一个Cat对象，同样，会出现运行时错误。

  从上述例子中可以看出，对变体的适用范围进行限制显然有助于提高编写更安全的代码。

6. 变体杂谈

6.1 历史问题

  C#的数组支持协变，也就是说下面的代码是允许的：

Cat[] cats = new SuperCat[10];

  咋一看没什么问题，SuperCat的数组当然可以安全转化为Cat数组使用，然而这意味着下述代码也能通过编译：

object[] objs = new Cat[10];
objs[0] = new Dog();

  但显然这会在运行时出现错误。数组协变在某些场合下可能有用，但很多时候错误的使用或者误用会导致没必要的运行时错误，因此应当尽可能避免使用这一特性。

6.2 缺点

  使用变体要求类型可以在引用类型的层面上进行转换，简单来说就是变体只作用于引用类型之间。因此尽管object是所有类型的基类，但是下述代码依然无法通过编译：

IEnumerable<object> data = new List<int>();

  这是由于int为值类型，显然值类型无法在引用类型层面转化为object。