那些年搞不懂的术语概念：协变逆变不变体

Posted 2020-08-04 因为菜，所以要好好学习、天天向上！ —— 农码一生

简述什么是协变性、逆变性、不变性 协变性，如：string->object （子类到父类的转换） 逆变性，如：object->string （父类到子类的转换） 不变性，基于上面两种情况，不可变。具体下面再做分析。 泛型委托的可变性 先使用框架定义的泛型委托Func和Action做例子（不了解的请戳

简述什么是协变性、逆变性、不变性

• 协变性，如：string->object （子类到父类的转换）
• 逆变性，如：object->string （父类到子类的转换）
• 不变性，基于上面两种情况，不可变。具体下面再做分析。

泛型委托的可变性

先使用框架定义的泛型委托Func和Action做例子（不了解的请戳）

协变：(string->object)

Func<string> func1 = () => "农码一生";
Func<object> func2 = func1;

逆变：(object->string)

Action<object> func3 = t => { };
Action<string> func4 = func3;

上面代码没有任何问题。

接着我们自己定义委托试试：

我X，看人不来哦。为什么自定义的委托却不能协变呢。

我看看系统定义的Func到底和我们自定义的有什么不同：

public delegate TResult Func<out TResult>();

多了一个out，什么鬼:

• out：对于泛型类型参数，out 关键字指定该类型参数是协变的。 可以在泛型接口和委托中使用 out 关键字。（来源）
• in：对于泛型类型参数，in 关键字指定该类型参数是逆变的。 可以在泛型接口和委托中使用 in 关键字。（来源）

那么我们可以修改自定义委托：

完美！

那如果我们要实现逆变性呢：

直接逆变是不可行的，我们需要修改泛型类型参数：

我们发现整个委托参数都变了。本来的返回值，改成输入参数才行。

结论：

• in->输入参数->可逆变（父类到子类的转变[如 object->string]）
• out->返回值->可协变（子类到父类的转变[如 string->object]）

 

假设：如果泛型参数中既存在in又存在out改如何：

delegate Tout MyFunc<in Tin, out Tout>(Tin obj);

MyFunc<object, string> str1 = t => "农码一生";
MyFunc<string, string> str2 = str1;//第一个泛型的逆变（object->string）
MyFunc<object, object> str3 = str1;//第二个泛型的协变（string->object）
MyFunc<string, object> str4 = str1;//第一个泛型的逆变和第二个泛型的协变

以上都是没有问题的。 

然后我们看看编译后的C#代码：

结论：

• 所谓的逆变其实只是编译后进行了强制类型转换而已。

以上代码也可以直接写成：

//delegate Tout MyFunc<in Tin, out Tout>(Tin obj);
MyFunc<string, string> str5 = t => "农码一生";
MyFunc<object, object> str6 = t => "农码一生";
MyFunc<string, object> str7 = t => "农码一生";

泛型接口的可变性

接着看框架默认接口：

协变：(子类->父类)

IEnumerable<string> list = new List<string>();
IEnumerable<object> list2 = list;

逆变：（父类-> 子类）

IComparable<object> list3 = null;
IComparable<string> list4 = list3;

接下来我们试试自定泛型接口：

首先定义测试类型、接口：

// 人
public class People
{ }
//老师(继承People[人])
public class Teacher : People
{ }
//运动
public interface IMotion<T>
{ }
//跑步
public class Run<T> : IMotion<T>
{ }

然后我们测试协变性：

同样我们需要把接口 interface IMotion<T> 定义为 interface IMotion<out T> 

//运动
public interface IMotion<out T>{}

IMotion<Teacher> x = new Run<Teacher>();
IMotion<People> y = x;

如果我们要测试逆变性，则需要把 interface IMotion<T>  定义为 interface IMotion<in T> 

//运动
public interface IMotion<in T>{}

IMotion<People> x2 = new Run<People>();
IMotion<Teacher> y2 = x2;

泛型接口的逆变，编译后同样进行了强制转换：

当然，我们也可以直接写成：

IMotion<Teacher> y3 = new Run<People>();

不变性

从上面我们知道逆变性的代码编译后都会进行强制转换。假设：那我们不用out、in直接手动强制转换是否可以？：

// 人
public class People { }
//老师(继承People[人])
public class Teacher : People { }
//运动
public interface IMotion<T> { }
//跑步
public class Run<T> : IMotion<T> { }

//协变
IMotion<Teacher> x = new Run<Teacher>();
IMotion<People> y = (IMotion<People>)x;

//逆变
IMotion<People> x2 = new Run<People>();
IMotion<Teacher> y2 = (IMotion<Teacher>)x2;
IMotion<Teacher> y3 = (IMotion<Teacher>)new Run<People>();

天才的我发现编译成功了，没有任何问题！且还可以同时协变、逆变？？不对，真的天才了吗？我们运行试试：

看来我还是太单纯了，如果真的这么容易绕过去，Microsoft又何必去搞个out、in关键字。

对于同一个泛型参数，我们既想有协变性又想逆变性，咋办？答案是不可行。这就会出现第三种情况，既不可以协变又不可以逆变。称为不变性。

如（我们在IMotion定义两个方法）：

//运动
public interface IMotion<T>
{
    T Show();
    void Match(T t);
}

上面我们测试过，代码直接强制转换是不能实现协变、逆变的。那么我们只能通过out、in来实现。如果现在我们在泛型参数添加out或in属性会如何？：

我们发现out和in都不能用。在用out时，有个传入参数为泛型 void Match(T t) 的方法。使用in时，有个返回参数为泛型 T Show() 的方法。现在就出现了是矛更锋利，还是盾更坚硬的问题了。

最后结果是：都不能用，既不能协变，也不能逆变。此为不变体。

小知识：

C#4.0之前 IEnumerable<T> 、 IComparable<T> 、 IQueryable<T> 等接口都不支持可变性，在4.0及之后才支持。因为4.0之前定义的泛型接口没有添加out、in关键字，有兴趣可以切换版本看看。

延伸思考

为什么in[输入参数]就只能逆变？分析如下：

// 人
public class People { }
//老师(继承People[人])
public class Teacher : People
{
    //薪水
    public decimal Salary { get; set; }
}

//运动
public interface IMotion<in T>
{
    void Match(T t);
}
//跑步
public class Run<T> : IMotion<T>
{
    public void Match(T t)
    {
        //假设中间有很多逻辑.....       
    }
}

为什么out[返回值]只能协变？分析如下：

// 人
public class People { }
//老师(继承People[人])
public class Teacher : People
{
    //薪水
    public decimal Salary { get; set; }
}

//运动
public interface IMotion<out T>
{
    T Show();
    //void Match(T t);
}
//跑步
public class Run<T> : IMotion<T>
{
    public T Show()
    {
        return default(T);
    }
    //public void Match(T t)
    //{
    //    //假设中间有很多逻辑.....         
    //}
}

这里有两个关键点：

• 传入参数（in）是把参数当成父类来用，显然可以逆变（子类当成父类来用[里氏替换原则]），但是却不可以把父类当子类来用（如：子类存在有而父类没有的方法或属性）。
• 返回值（out）返回值类型用父类来接收，显然可以协变（父类可以接收一切子类），但却不可用子类接收父类数据（如：父类代表的对象不能强制转给子类[string str = (string)objcet]）。

。。。是不是有点越想越头晕，想不明白就慢慢想。自己动动手。

如果实在想的头大，就把它当成是乌龟的屁股（龟腚\\规定）吧，知道是C#做的一种安全限制！

总结

关于泛型接口、泛型委托的可变性：

• 协变 -> 比较和谐正常的变化 -> 子类转父类 [如 string转object] -> 必须有out标识 [返回值]
• 逆变 -> 逆天的变化 -> 父类转子类 [如object转string] -> 必须有in标识 [传入参数]  （父亲变儿子，越活越年轻，还不够逆天吗？）
• 所谓的逆变，会在编译后的C#代码中进行强制类型转换。
• 示例：

• IEnumerable<string> list = new List<string>();  
  IEnumerable<object> list2 = list; //协变
  IEnumerable<object> list2 = new List<string>();  //(也可以直接写成这样)

• IComparable<object> list3 = null;
  IComparable<string> list4 = list3; //逆变  编译后 [ IComparable<string> list4 = (IComparable<string>) list3;]
  

注意：

• 不支持类的类型参数的可变性
• 只有泛型接口和泛型委托可以拥有可变的类型参数（out、in）
• 可变性只支持引用转换。（不能用于值类型）
• 类型参数使用了 out 或者 ref 将禁止可变性

 

好了，今天就到这里。没啥高深的技术知识，主要为理解协变、逆变、不变体等术语和概念。

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