C#4.0 协变 和 抗变（逆变）

关于协变和逆变要从面向对象继承说起。继承关系是指子类和父类之间的关系；子类从父类继承所以子类的实例也就是父类的实例。比如说Animal是父类，Dog是从Animal继承的子类；如果一个对象的类型是Dog，那么他必然是Animal。 协变逆变正是利用继承关系 对不同参数类型或返回值类型 的委托或者泛型接口之间做转变。

如果一个方法要接受Dog参数，那么另一个接受Animal参数的方法肯定也可以接受这个方法的参数，这是Animal向Dog方向的转变是逆变。如果一个方法要求的返回值是Animal，那么返回Dog的方法肯定是可以满足其返回值要求的，这是Dog向Animal方向的转变是协变。

由子类向父类方向转变是协变 协变用于返回值类型用out关键字 由父类向子类方向转变是逆变 逆变用于方法的参数类型用in关键字

一、定义

一个可变性和子类到父类转换的方向一样，就称作协变；而如果和子类到父类的转换方向相反，就叫抗变！

那到底这个协变或者抗变有什么实际利用价值呢？ 其价值就在于，在.net 4.0之前可以这么写：

    Sharp sharp = new Rectange();

但是却不能这么写：

    IEnumerable<Sharp> sharps = new List<Rectange>();

4.0之后，可以允许按上面的写法了，因为泛型接口IEnumerable<T>被声明成如下：

    public interface IEnumerable<out T> : IEnumerable

数组不支持抗变。在.Net 4.0之后，支持协变和抗变的有两种类型：泛型接口和泛型委托。

二、泛型接口中的协变和抗变

接下来定义一个泛型接口：

    public interface ICovariant<T>  // Covariant 协变的

并且让上面的两个类各自继承一下该接口：

    public class Sharp : ICovariant<Sharp>  
    {  
    }  

    public class Rectange : Sharp,ICovariant<Rectange>  
    {  
    }

编写测试代码：

    static void Main(string[] args)  
    {  
        ICovariant<Sharp> isharp = new Sharp();  
        ICovariant<Rectange> irect = new Rectange();  

        isharp = irect;  
    }

编译并不能通过，原因是无法将ICovariant<Rectange>隐式转化为ICovariant<Sharp>！

再将接口修改为：

    public interface ICovariant<out T>  
    {  
    }

编译顺利通过。这里我为泛型接口的类型参数增加了一个修饰符out，它表示这个泛型接口支持对类型T的协变。

即：如果一个泛型接口IFoo<T>，IFoo<TSub>可以转换为IFoo<TParent>的话，我们称这个过程为协变，而且说“这个泛型接口支持对T的协变”。

那我如果反过来呢，考虑如下代码：

    static void Main(string[] args)  
    {  
        ICovariant<Sharp> isharp = new Sharp();  
        ICovariant<Rectange> irect = new Rectange();  

        irect = isharp;  
       // isharp =irect;  
    }

发现编译又不通过了， 原因是无法将 ICovariant<Sharp> 隐式转化为 ICovariant<Rectange> ！

将接口修改为：

    public interface ICovariant<in T>  
    {  
    }

编译顺利通过。这里我将泛型接口的类型参数T修饰符修改成in，它表示这个泛型接口支持对类型参数T的抗变。 即：如果一个泛型接口IFoo<T>，IFoo<TParent>可以转换为IFoo<TSub>的话，我们称这个过程为抗变（contravariant），而且说“这个泛型接口支持对T的抗变”！

泛型接口并不单单只有一个参数，所以我们不能简单地说一个接口支持协变还是抗变，只能说一个接口对某个具体的类型参数支持协变或抗变，如ICovariant<out T1,in T2>说明该接口对类型参数T1支持协变，对T2支持抗变。

举个例子就是：ICovariant<Rectange,Sharp>能够转化成ICovariant<Sharp,Rectange>，这里既有协变也有抗变。

以上都是接口并没有属性或方法的情形，接下来给接口添加一些方法：

    //这时候，无论如何修饰T，都不能编译通过
    public interface ICovariant<out T>  
    {  
        T Method1();  
        void Method2(T param);  
    }

发现无论用out还是in修饰T参数，根本编译不通过。

原因是，我把仅有的一个类型参数T既用作函数的返回值类型，又用作函数的参数类型。

所以： 1）当我用out修饰时，即允许接口对类型参数T协变，也就是满足从ICovariant<Rectange>到ICovariant<Sharp>转换，Method1返回值Rectange到Sharp转换没有任何问题：

    ICovariant<Sharp> isharp = new Sharp();  
    ICovariant<Rectange> irect = new Rectange();

    isharp = irect;
    Sharp sharp = isharp.Method1();

但是对于把T作为参数类型的方法Method2(Rectange)会去替换Method2(Sharp)：

    ICovariant<Sharp> isharp = new Sharp();  
    ICovariant<Rectange> irect = new Rectange();  

    isharp = irect;  
    isharp.Method2(new Sharp());

即如果执行最后一行代码，会发现参数中，Sharp类型并不能安全转化成Rectange类型，因为Method2(Sharp)实际上已经被替换成 Method2(Rectange) ！

2)同样，当我用in修饰时， 即允许接口对类型参数T抗变，也就是满足从ICovariant<Sharp>到ICovariant<Rectange>转换：

    ICovariant<Sharp> isharp = new Sharp();  
    ICovariant<Rectange> irect = new Rectange();  

    //isharp = irect;  
    irect = isharp;  
    irect.Method2(new Rectange());

Method2(Sharp)会去替换Method2(Rectange)，所以上面的最后一句代码无论以Rectange类型还是Sharp类型为参数都没有任何问题； 但是Method1返回的将是Sharp类型：

    ICovariant<Sharp> isharp = new Sharp();  
    ICovariant<Rectange> irect = new Rectange();  

    //isharp = irect;  
    irect = isharp;  
    Rectange rect = irect.Method1();

执行最后一句代码，同样将会是不安全的！

综上：在没有额外机制的限制下，接口进行协变或抗变都是类型不安全的。.NET 4.0有了改进，它允许在类型参数的声明时增加一个额外的描述，以确定这个类型参数的使用范围，这个额外的描述即in,out修饰符，它们俩的用法如下： 如果一个类型参数仅仅能用于函数的返回值，那么这个类型参数就对协变相容，用out修饰。而相反，一个类型参数如果仅能用于方法参数，那么这个类型参数就对抗变相容，用in修饰。

所以，需要将上面的接口拆成两个接口即可：

    public interface ICovariant<out T>  
    {  
        T Method1();  

    }  

    public interface IContravariant<in T>  
    {  
        void Method2(T param);  
    }

.net中很多接口都仅将参数用于函数返回类型或函数参数类型，如：

    public interface IComparable<in T> 


    public interface IEnumerable<out T> : IEnumerable

几个重要的注意点： 1.仅有泛型接口和泛型委托支持对类型参数的可变性，泛型类或泛型方法是不支持的。 2.值类型不参与协变或抗变，IFoo<int>永远无法协变成IFoo<object>，不管有无声明out。因为.NET泛型，每个值类型会生成专属的封闭构造类型，与引用类型版本不兼容。 3.声明属性时要注意，可读写的属性会将类型同时用于参数和返回值。因此只有只读属性才允许使用out类型参数，只写属性能够使用in参数。

接下来将接口代码改成：

    public interface ICovariant<out T>  
    {  
        T Method1();  
        void Method3(IContravariant<T> param);  
    }  

    public interface IContravariant<in T>  
    {  
        void Method2(T param);  
    }

同样是可以编译通过的.

我们需要费一些周折来理解这个问题。现在我们考虑ICovariant<Rectange>，它应该能够协变成ICovariant<Sharp>，因为Rectange是Sharp的子类。因此Method3(Rectange)也就协变成了Method3(Sharp)。当我们调用这个协变,Method3(Sharp)必须能够安全变成Method3(Rectange)才能满足原函数的需要(具体原因上面已经示例过了）。这里对Method3的参数类型要求是Sharp能够抗变成Rectange！也就是说，如果一个接口需要对类型参数T协变，那么这个接口所有方法的参数类型必须支持对类型参数T的抗变（如果T有作为某些方法的参数类型）。 同理我们也可以看出，如果接口要支持对T抗变，那么接口中方法的参数类型都必须支持对T协变才行。这就是方法参数的协变-抗变互换原则。所以，我们并不能简单地说out参数只能用于方法返回类型参数，它确实只能直接用于声明返回值类型，但是只要一个支持抗变的类型协助，out类型参数就也可以用于参数类型！（即上面的例子），换句话说，in除了直接声明方法参数类型支持抗变之外，也仅能借助支持协变的类型才能用于方法参数，仅支持对T抗变的类型作为方法参数类型也是不允许的。

既然方法类型参数协变和抗变有上面的互换影响。那么方法的返回值类型会不会有同样的问题呢？ 将接口修改为:

    public interface IContravariant<in T>  
    {  

    }  
    public interface ICovariant<out T>  
    {  

    }  

    public interface ITest<out T1, in T2>  
    {  
        ICovariant<T1> test1();  
        IContravariant<T2> test2();  
    }

我们看到和刚刚正好相反，如果一个接口需要对类型参数T进行协变或抗变，那么这个接口所有方法的返回值类型必须支持对T同样方向的协变或抗变（如果有某些方法的返回值是T类型）。这就是方法返回值的协变-抗变一致原则。也就是说，即使in参数也可以用于方法的返回值类型，只要借助一个可以抗变的类型作为桥梁即可。

三、泛型委托中的协变和抗变

泛型委托的协变抗变，与泛型接口协变抗变类似。继续延用Sharp，Rectange类作为示例： 新建一个简单的泛型接口：

    public delegate void MyDelegate1<T>();

测试代码：

    MyDelegate1<Sharp> sharp1 = new MyDelegate1<Sharp>(MethodForParent1);  
    MyDelegate1<Rectange> rect1 = new MyDelegate1<Rectange>(MethodForChild1);  
    sharp1 = rect1;

其中两个方法为：

    public static void MethodForParent1()   
    {  
        Console.WriteLine("Test1");  
    }  
    public static void MethodForChild1()  
    {  
        Console.WriteLine("Test2");  
    }

编译并不能通过，因为无法将MyDelegate1<Rectange>隐式转化为MyDelegate1<Sharp>，接下来我将接口修改为支持对类型参数T协变，即加out修饰符：

    public delegate void MyDelegate1<out T>();

编译顺利用过。 同样，如果反过来，对类型参数T进行抗变：

    MyDelegate1<Sharp> sharp1 = new MyDelegate1<Sharp>(MethodForParent1);  
    MyDelegate1<Rectange> rect1 = new MyDelegate1<Rectange>(MethodForChild1);  
    //sharp1 = rect1;  
    rect1 = sharp1;

只需将修饰符改为in即可：

    public delegate void MyDelegate1<in T>();

考虑第二个委托：

    public delegate T MyDelegate2<out T>();

测试代码：

    MyDelegate2<Sharp> sharp2 = new MyDelegate2<Sharp>(MethodForParent2);  
    MyDelegate2<Rectange> rect2 = new MyDelegate2<Rectange>(MethodForChild2);  
    sharp2 = rect2;

其中两个方法为：

    public static Sharp MethodForParent2()  
    {  
        return new Sharp();  
    }  
    public static Rectange MethodForChild2()  
    {  
        return new Rectange();  
    }

该委托对类型参数T进行协变没有任何问题，编译通过；如果我要对T进行抗变呢？是否只要将修饰符改成in就OK了？ 测试如下：

    public delegate T MyDelegate2<in T>(); 

    MyDelegate2<Sharp> sharp2 = new MyDelegate2<Sharp>(MethodForParent2);  
    MyDelegate2<Rectange> rect2 = new MyDelegate2<Rectange>(MethodForChild2);  
    //sharp2 = rect2;  
    rect2 = sharp2;

错误如下： 变体无效: 类型参数“T”必须为对于“MyDelegate2<T>.Invoke()”有效的 协变式。“T”为 逆变。 意思就是：这里的类型参数T已经被声明成抗变，如果上面的最后一句有效，那么以后rect2()执行结果返回的将是一个Sharp类型的实例， 如果再出现这种代码：

    Rectange rectange = rect2();

那么这将是一个从Sharp类到Rectange类的不安全的类型转换！所以如果类型参数T抗变，并且要用于方法返回类型，那么方法的返回类型也必须支持抗变。即上面所说的方法返回类型协变-抗变一致原则。

那么如何对上面的返回类型进行抗变呢？很简单，只要借助一个支持抗变的泛型委托作为方法返回类型即可：

    public delegate Contra<T> MyDelegate2<in T>();  
    public delegate void Contra<in T>();

具体的方法也需要对应着修改一下：

    public static Contra<Sharp> MethodForParent3()  
    {  
        return new Contra<Sharp>(MethodForParent1);  
    }  
    public static Contra<Rectange> MethodForChild3()  
    {  
        return new Contra<Rectange>(MethodForChild1);  
    }

测试代码：

    MyDelegate2<Sharp> sharp2 = new MyDelegate2<Sharp>(MethodForParent3);  
    MyDelegate2<Rectange> rect2 = new MyDelegate2<Rectange>(MethodForChild3);  
    rect2 = sharp2;

编译通过。

接下来考虑第三个委托：

    public delegate T MyDelegate3<T>(T param);

首先，对类型参数T进行协变：

    public delegate T MyDelegate3<out T>(T param);

对应的方法及测试代码：

    public static Sharp MethodForParent4(Sharp param)  
    {  
        return new Sharp();  
    }  
    public static Rectange MethodForChild4(Rectange param)  
    {  
        return new Rectange();  
    }  

    MyDelegate3<Sharp> sharp3 = new MyDelegate3<Sharp>(MethodForParent4);  
    MyDelegate3<Rectange> rect3 = new MyDelegate3<Rectange>(MethodForChild4);  
    sharp3 = rect3;

和泛型接口类似，这里的委托类型参数T被同时用作方法返回类型和方法参数类型，不管修饰符改成in或out,编译都无法通过。所以如果用out修饰T，那么方法参数param的参数类型T就需借助一样东西来转换一下：一个对类型参数T能抗变的泛型委托。 即：

    public delegate T MyDelegate3<out T>(Contra<T> param);

两个方法也需对应着修改：

    public static Sharp MethodForParent4(Contra<Sharp> param)  
    {  
        return new Sharp();  
    }  
    public static Rectange MethodForChild4(Contra<Rectange> param)  
    {  
        return new Rectange();  
    }

这就是上面所说的方法参数的协变-抗变互换原则

同理，如果对该委托类型参数T进行抗变，那么根据方法返回类型协变-抗变一致原则，方法返回参数也是要借助一个对类型参数能抗变的泛型委托：

    public delegate Contra<T> MyDelegate3<in T>(T param);

两个方法也需对应着修改为：

    public static Contra<Sharp> MethodForParent4(Sharp param)  
    {  
        return new Contra<Sharp>(MethodForParent1);  
    }  
    public static Contra<Rectange> MethodForChild4(Rectange param)  
    {  
        return new Contra<Rectange>(MethodForChild1);  
    }

推广到一般的泛型委托：

    public delegate T1 MyDelegate4<T1,T2,T3>(T2 param1,T3 param2);

可能三个参数T1，T2，T3会有各自的抗变和协变，如：

    public delegate T1 MyDelegate4<out T1,in T2,in T3>(T2 param1,T3 param2);

这是一种最理想的情况，T1支持协变，用于方法返回值；T2，T3支持抗变，用于方法参数。

但是如果变成：

    public delegate T1 MyDelegate4<in T1,out T2,in T3>(T2 param1,T3 param2);

那么对应的T1，T2类型参数就会出问题，原因上面都已经分析过了。于是就需要修改T1对应的方法返回类型，T2对应的方法参数类型，如何修改？只要根据上面提到的： 1）方法返回类型的协变-抗变一致原则； 2）方法参数类型的协变-抗变互换原则！

对应本篇的例子，就可以修改成：

    public delegate Contra<T1> MyDelegate4<in T1, out T2, in T3>(Contra<T2> param1, T3 param2);

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