協變和逆變

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背景知識：協變和逆變

　　假設有這樣兩個類型：TSub是TParent的子類，顯然TSub型引用是可以安全轉換為TParent型引用的。如果一個泛型介面IFoo<T>，IFoo<TSub>可以轉換為IFoo<TParent>的話，我們稱這個過程為協變，而且說這個泛型介面支持對T的協變。而如果一個泛型介面IBar<T>，IBar<TParent>可以轉換為T<TSub>的話，我們稱這個過程為逆變（contravariant），而且說這個介面支持對T的反變。因此很好理解，如果一個可變性和子類到父類轉換的方向一樣，就稱作協變；而如果和子類到父類的轉換方向相反，就叫逆變性。

.NET 4.0引入的泛型協變、逆變性

　　剛纔我們講解概念的時候已經用了泛型介面的協變和逆變，但在.NET 4.0之前，C#不支持泛型的這種可變性。不過它們都支持委托參數類型的協變和逆變。由於委托參數類型的可變性理解起來抽象度較高，所以我們這裡不准備討論。已經完全能夠理解這些概念的讀者自己想必能夠自己去理解委托參數類型的可變性。在.NET 4.0之前為什麼不允許IFoo<T>進行協變或逆變呢？因為對介面來講，T這個類型參數既可以用於方法參數，也可以用於方法返回值。設想這樣的介面

1 interface IFoo<T>
2 {
3     void Method1(T param);
4     T Method2();
5 }

　　如果我們允許協變，從IFoo<TSub>到IFoo<TParent>轉換，那麼IFoo.Method1(TSub)就會變成IFoo.Method1(TParent)。我們都知道TParent是不能安全轉換成TSub的，所以Method1這個方法就會變得不安全。同樣，如果我們允許反變IFoo<TParent>到IFoo<TSub>，則TParent IFoo.Method2()方法就會變成TSub IFoo.Method2()，原本返回的TParent引用未必能夠轉換成TSub的引用，Method2的調用將是不安全的。有此可見，在沒有額外機制的限制下，介面進行協變或反變都是類型不安全的。.NET 4.0改進了什麼呢？它允許在類型參數的聲明時增加一個額外的描述，以確定這個類型參數的使用範圍。我們看到，如果一個類型參數僅僅能用於函數的返回值，那麼這個類型參數就對協變相容。而相反，一個類型參數如果僅能用於方法參數，那麼這個類型參數就對逆變相容。如下所示：

1 interface ICo<out T>
2 {
3     T Method();
4 } 
5 
6 interface IContra<in T>
7 {
8     void Method(T param);
9 }

　　在.NET Framework中，許多介面都僅僅將類型參數用於參數或返回值。為了使用方便，在.NET Framework 4.0里這些介面將重新聲明為允許協變或逆變的版本。例如IComparable<T>就可以重新聲明成IComparable<in T>，而IEnumerable<T>則可以重新聲明為IEnumerable<out T>。不過某些介面IList<T>是不能聲明為in或out的，因此也就無法支持協變或逆變。可以看到C#4用Out來描述僅能作為返回值的類型參數，用In來描述僅能作為方法參數的類型參數。一個介面可以帶多個類型參數，這些參數可以既有In也有Out，因此我們不能簡單地說一個介面支持協變還是逆變，只能說一個介面對某個具體的類型參數支持協變或逆變。比如若有IBar<in T1, out T2>這樣的介面，則它對T1支持反變而對T2支持協變。舉個例子來說，IBar<object, string>能夠轉換成IBar<string, object>，這裡既有協變又有逆變。

下麵提起幾個泛型協變和逆變容易忽略的註意事項：

　　1)僅有泛型介面和泛型委托支持對類型參數的可變性，泛型類或泛型方法是不支持的。

　　2)值類型不參與協變或逆變，IFoo<int>永遠無法變成IFoo<object>，不管有無聲明out。因為.NET泛型，每個值類型會生成專屬的封閉構造類型，與引用類型版本不相容。

　　3)聲明屬性時要註意，可讀寫的屬性會將類型同時用於參數和返回值。因此只有隻讀屬性才允許使用out類型參數，只寫屬性能夠使用in參數。

協變和逆變的相互作用

　　這是一個相當有趣的話題，我們先來看一個例子：

1 interface IFoo<in T>
2 {
3 }
4 
5 interface IBar<in T>
6 {
7     void Test(IFoo<T> foo); //對嗎?
8 }

1 interface IFoo<in T>
2 {
3 }
4 
5 interface IBar<out T>
6 {
7     void Test(IFoo<T> foo);
8 }

　　你能看出上述代碼有什麼問題嗎？我聲明瞭in T，然後將他用於方法的參數了，一切正常。但出乎你意料的是，這段代碼是無法編譯通過的！反而是這樣的代碼通過了編譯：

　　什麼？明明是out參數，我們卻要將其用於方法的參數才合法？初看起來的確會有一些驚奇。我們需要費一些周折來理解這個問題。現在我們考慮IBar<string>，它應該能夠協變成IBar<object>，因為string是object的子類。因此IBar.Test(IFoo<string>)也就協變成了IBar.Test(IFoo<object>)。當我們調用這個協變後方法時，將會傳入一個IFoo<object>作為參數。想一想，這個方法是從IBar.Test(IFoo<string>)協變來的，所以參數IFoo<object>必須能夠變成IFoo<string>才能滿足原函數的需要。這裡對IFoo<object>的要求是它能夠逆變成IFoo<string>！而不是協變。也就是說，如果一個介面需要對T協變，那麼這個介面所有方法的參數類型必須支持對T的逆變。同理我們也可以看出，如果介面要支持對T逆變，那麼介面中方法的參數類型都必須支持對T協變才行。這就是方法參數的協變-逆變互換原則。所以，我們並不能簡單地說out參數只能用於返回值，它確實只能直接用於聲明返回值類型，但是只要一個支持逆變的類型協助，out類型參數就也可以用於參數類型！換句話說，in參數除了直接聲明方法參數之外，也僅能藉助支持協變的類型才能用於方法參數，僅支持對T逆變的類型作為方法參數也是不允許的。要想深刻理解這一概念，第一次看可能會有點繞，建議有條件的情況下多進行一些實驗。

　　剛纔提到了方法參數上協變和逆變的相互影響。那麼方法的返回值會不會有同樣的問題呢？我們看如下代碼：

 1 interface IFooCo<out T>
 2 {
 3 } 
 4 
 5 interface IFooContra<in T>
 6 {
 7 } 
 8 
 9 interface IBar<out T1, in T2>
10 {
11     IFooCo<T1> Test1();
12     IFooContra<T2> Test2();
13 }

　　我們看到和剛剛正好相反，如果一個介面需要對T進行協變或逆變，那麼這個介面所有方法的返回值類型必須支持對T同樣方向的協變或逆變。這就是方法返回值的協變-逆變一致原則。也就是說，即使in參數也可以用於方法的返回值類型，只要藉助一個可以逆變的類型作為橋梁即可。