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理解 C# 泛型接口中的协变与逆变（抗变）

news 来源：原创 2024/4/20 18:31:53

最近在看《C#高级编程（第九版）》这本书，看到了泛型接口这章。其中关于协变和逆变没太理解，讲得有点坑爹，网上查了许多资料，总算（感觉）弄清楚了，来这里记录一下。

一、协变和逆变是什么？

先从字面上理解 协变(Covariance)、逆变(Contravariance)。

co- 是英文中表示“协同”、“合作”的前缀。协变的字面意思就是 “与变化的方向相同”。
contra- 是英文中表示“相反”的前缀，逆变的字面意思就是是 “与变化方向相反”。

那么问题来了，~~挖掘机技术哪家强？~~这里的 变化方向 指的是什么？

C# 中对于对象（即对象引用），仅存在一种隐式类型转换，即 子类型的对象引用到父类型的对象引用的转换。这里的变化指的就是这种 子->父 的类型转换。

object o = "hello";
//string （子类）类型的引用转换为 object （父类）类型的引用

协变与逆变虽然从名字上看是两个完全相反的转换，但其实只是“子类型引用到父类型引用”这一过程在函数中使用的 两个不同阶段 而已，接下来将详细说明这点。

二、使用函数的不同阶段发生的类型转换

假设有一函数，接收 object 类型的参数，输出 string 类型的返回值：

string Method(object o)
{
    return "abc";
}

那么在Main函数中我们可以这样调用它：

string s = "abc";
object o = Method(s);

注意，这里发生了两次隐式类型转换：

在向函数输入时，参数 s 由 string 类型转换为 object 类型
在函数输出（返回）时，返回值由 string 类型转换为 object 类型

我们这里可以看作是函数签名可发生变换（不论函数的内容，不影响结果）：

string Method(object o) 可变换为 string Method(string o)
string Method(string o) 可变换为 object Method(string o)

也就是说，在函数输入时，函数的 输入类型 可由 object 变换为 string，父->子
在函数输出时，函数的 输出类型 可由string变换为object，子->父

三、理解泛型接口中的 `in`、`out`参数

没有指定`in`、`out`的情况

假设有一泛型接口，并且有一个类实现了此接口：

interface IDemo<T>
{
    T Method(T value);
}
public class Demo : IDemo<string>
{
    //实现接口 IDemo<string>

    public string Method(string value)
    {
        return value;
    }
}

在Main函数中这样写：

IDemo<string> demoStr = new Demo();
IDemo<object> demoObj = demoStr;

上面的这段代码中的第二行包含了一个假设：

IDemo<string> 类型能够隐式转换为 IDemo<object> 类型

这乍看上去就像“子类型引用转换为父类型引用” 一样，然而很遗憾，他们并不相同。假如可以进行隐式类型转换，那就意味着：

string Method(string value) 能转换为 object Method(object value)

从上一节中我们知道，在函数这输入和输出阶段，其类型可变化方向是不同的。
所以在C#中，要想应用泛型接口类型的隐式转换，需要讨论“输入”和“输出”两种情况。

接口仅用于输出的情况，协变

interface IDemo<out T>
{
    //仅将类型 T 用于输出
    T Method(object value);
}

public class Demo : IDemo<string>
{
    //实现接口
    public string Method (object value)
    {
        //别忘了类型转换！
        return value.ToString();
    }
}

在Main函数中这样写：

IDemo<string> demoStr = new Demo();
IDemo<object> demoObj = demoStr;

可将 string Method (object value) 转换为 object Method (object value)
即可将 IDemo<string> 类型转换为 IDemo<object> 类型。
仅从泛型的类型上看，这是 “子->父” 的转换，与第一节中提到的转换方向相同，称之为“协变”。

接口仅用于输入的情况，逆变

同理我们可以给 T 加上 in 参数：

interface IDemo<in T>
{
    //仅将类型 T 用于输入
    string Method(T value);
}

public class Demo : IDemo<object>
{
    //实现接口
    public string Method (object value)
    {
        return value.ToString();
    }
}

在Main函数中这样写：

IDemo<object> demoObj = new Demo();
IDemo<string> demoStr = demoObj;

这里可将 string Method (object value) 转换为 string Method (string value)
即可将 IDemo<object> 类型转换为 IDemo<string> 类型。
仅从泛型的类型上看，这是 “父->子” 的转换，与第一节中提到的转换方向相反，称之为“逆变”，有时也译作“抗变”或“反变”。