c# 抗变 协变

一.定义
在说定义之前，先看一个简单的例子：
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public class Sharp  {  }  public class Rectange : Sharp  {  }  

上面定义了两个简单的类，一个是图形类，一个是矩形类；它们之间有简单的继承关系。接下来是常见的一种正确写法：
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Sharp sharp = new Rectange();
就是说“子类引用可以直接转化成父类引用”，或者说Rectange类和Sharp类之间存在一种安全的隐式转换。

注意：
root = new Child();
基类的对象当然不能访问派生类的成员了，虽然实际上是个child对象，但其类型是parent，向上转换后，已经屏蔽了对派生类成员的访问

root这个对象，会忽略child类的其他派生方法，只有重写方法受到影响。

那问题就来了，既然Rectange类和Sharp类之间存在一种安全的隐式转换，那数组Rectange[]和Sharp[]之间是否也存在这种安全的隐式转换呢？
这就牵扯到了将原本类型上存在的类型转换映射到他们的数组类型上的能力，这种能力就称为“可变性（Variance）”。在.NET中，唯一允许可变性的类型转换就是由继承关系带来的“子类引用->父类引用”转换。也就是上面例子所满足的写法。
然后看下面这种写法：
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Sharp[] sharps=new Rectange[3];  

编译通过，这说明Rectange[]和Sharp[]之间存在安全的隐式转换。
像这种与原始类型转换方向相同的可变性就称作协变（covariant）

接下来试试这样写：
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Rectange[] rectanges = new Sharp[3];  

发现编译不通过，即数组所对应的单一元素的父类引用不可以安全的转化为子类引用。数组也就自然不能依赖这种可变性，达到协变的目的。
所以与协变中子类引用转化为父类引用相反，将父类引用转化为子类引用的就称之为抗变。
即：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！

当然可变性远远不只是针对映射到数组的能力，也有映射其它集合的能力如List.
到这里，很多人就会问了，说了这么多，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：
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Sharp sharp = new Rectange();  

但是却不能这么写：
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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被声明成如下：
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public interface IEnumerable<out T> : IEnumerable  

上面提到了，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：
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public interface ICovariant<T>  {  }  

并且让上面的两个类各自继承一下该接口：
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public class Sharp : ICovariant<Sharp>  {  }  public class Rectange : Sharp,ICovariant<Rectange>  {  }  

编写测试代码：
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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隐式转化为ICovariant！
再将接口修改为：
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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，IFoo可以转换为IFoo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：

[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 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 隐式转化为 ICovariant ！
将接口修改为：
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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，IFoo可以转换为IFoo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

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到ICovariant转换，Method1返回值Rectange到Sharp转换没有任何问题：
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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)：
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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到ICovariant转换：
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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：[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 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：
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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：
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public interface IComparable
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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永远无法协变成IFoo，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：
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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，它应该能够协变成ICovariant，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:
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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：
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public delegate void MyDelegate1<T>();  测试代码：[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 MyDelegate1<Sharp> sharp1 = new MyDelegate1<Sharp>(MethodForParent1);  MyDelegate1<Rectange> rect1 = new MyDelegate1<Rectange>(MethodForChild1);  sharp1 = rect1;  其中两个方法为：[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 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隐式转化为MyDelegate1，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：
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public delegate void MyDelegate1();
编译顺利用过。
同样，如果反过来，对类型参数T进行抗变：
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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：
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public delegate void MyDelegate1<in T>();  考虑第二个委托：[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 public delegate T MyDelegate2<out T>();  测试代码：[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 MyDelegate2<Sharp> sharp2 = new MyDelegate2<Sharp>(MethodForParent2);  MyDelegate2<Rectange> rect2 = new MyDelegate2<Rectange>(MethodForChild2);  sharp2 = rect2;  其中两个方法为：[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 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：

[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 public delegate T MyDelegate2<in T>();  [csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 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.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：
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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：

[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 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：[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 public static Contra<Sharp> MethodForParent3()  {      return new Contra<Sharp>(MethodForParent1);  }  public static Contra<Rectange> MethodForChild3()  {      return new Contra<Rectange>(MethodForChild1);  }  测试代码：[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 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：
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public delegate T MyDelegate3(T param);
首先，对类型参数T进行协变：
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public delegate T MyDelegate3<out T>(T param);  对应的方法及测试代码：[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 public static Sharp MethodForParent4(Sharp param)  {      return new Sharp();  }  public static Rectange MethodForChild4(Rectange param)  {      return new Rectange();  }  [csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 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：
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public delegate T MyDelegate3(Contra param);
两个方法也需对应着修改：
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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：
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public delegate Contra MyDelegate3(T param);
两个方法也需对应着修改为：
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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：
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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：[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 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：

[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 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：

[csharp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片 public delegate Contra<T1> MyDelegate4<in T1, out T2, in T3>(Contra<T2> param1, T3 param2);  

以上，协变和抗变记录到此。