C Sharp 类型参数协变与逆变

C#类型参数协变与逆变

介绍

在C#中，协变（Covariance）和逆变（Contravariance）是泛型类型参数的两个重要概念，它们允许在泛型类型之间进行更灵活的转换。协变和逆变主要用于接口和委托，使得类型参数可以更自然地适应继承关系。

• 协变：允许使用比原始类型更具体的派生类型（子类）。例如，如果 `IEnumerable<Derived>` 可以赋值给 `IEnumerable<Base>`，则称 `IEnumerable<T>` 是协变的。
• 逆变：允许使用比原始类型更通用的基类型（父类）。例如，如果 `Action<Base>` 可以赋值给 `Action<Derived>`，则称 `Action<T>` 是逆变的。

C# 4.0 引入了对泛型接口和委托的协变和逆变支持，通过 `out` 和 `in` 关键字分别标记协变和逆变类型参数。

协变（Covariance）

协变允许泛型类型参数从派生类向基类转换。在C#中，协变通过 `out` 关键字标记。

示例：协变接口

以下是一个协变接口 `IEnumerable<T>` 的示例：

using System;
using System.Collections.Generic;

class Animal { public string Name { get; set; } }
class Dog : Animal { }

class Program
{
    static void Main()
    {
        IEnumerable<Dog> dogs = new List<Dog> { new Dog { Name = "Buddy" } };
        IEnumerable<Animal> animals = dogs; // 协变：IEnumerable<Dog> 转换为 IEnumerable<Animal>

        foreach (var animal in animals)
        {
            Console.WriteLine(animal.Name);
        }
    }
}

输出：

Buddy

解释：

• `IEnumerable<T>` 是协变的，因为它的类型参数标记为 `out`。
• 可以将 `IEnumerable<Dog>` 赋值给 `IEnumerable<Animal>`，因为 `Dog` 是 `Animal` 的子类。

协变类型参数的限制

协变类型参数 (`out`) 只能用于方法的返回类型，不能用于方法的输入参数。例如：

interface ICovariant<out T>
{
    T GetItem(); // 合法：T 是返回类型
    // void SetItem(T item); // 非法：T 不能作为输入参数
}

逆变（Contravariance）

逆变允许泛型类型参数从基类向派生类转换。在C#中，逆变通过 `in` 关键字标记。

示例：逆变接口

以下是一个逆变接口 `IComparer<T>` 的示例：

using System;
using System.Collections.Generic;

class Animal { public string Name { get; set; } }
class Dog : Animal { }

class AnimalComparer : IComparer<Animal>
{
    public int Compare(Animal x, Animal y) => x.Name.CompareTo(y.Name);
}

class Program
{
    static void Main()
    {
        IComparer<Animal> animalComparer = new AnimalComparer();
        IComparer<Dog> dogComparer = animalComparer; // 逆变：IComparer<Animal> 转换为 IComparer<Dog>

        var dog1 = new Dog { Name = "Buddy" };
        var dog2 = new Dog { Name = "Max" };
        Console.WriteLine(dogComparer.Compare(dog1, dog2));
    }
}

输出：

-1

解释：

• `IComparer<T>` 是逆变的，因为它的类型参数标记为 `in`。
• 可以将 `IComparer<Animal>` 赋值给 `IComparer<Dog>`，因为 `Animal` 是 `Dog` 的基类。

逆变类型参数的限制

逆变类型参数 (`in`) 只能用于方法的输入参数，不能用于方法的返回类型。例如：

interface IContravariant<in T>
{
    void Process(T item); // 合法：T 是输入参数
    // T GetResult(); // 非法：T 不能作为返回类型
}

协变与逆变的对比

以下表格总结了协变和逆变的关键区别：

特性	协变 (`out`)	逆变 (`in`)
关键字	`out`	`in`
方向	派生类 → 基类	基类 → 派生类
用途	返回类型	输入参数

实际应用场景

场景1：集合的协变转换

协变常用于集合接口（如 `IEnumerable<T>`），使得可以统一处理不同派生类型的集合。

IEnumerable<string> strings = new List<string> { "a", "b", "c" };
IEnumerable<object> objects = strings; // 协变转换

场景2：委托的逆变

逆变常用于委托（如 `Action<T>`），使得可以传递更通用的方法。

Action<object> logObject = obj => Console.WriteLine(obj);
Action<string> logString = logObject; // 逆变转换
logString("Hello"); // 输出：Hello

图表说明

以下是一个Mermaid图表，展示协变和逆变的类型转换关系：

classDiagram class Animal class Dog : Animal Animal <|-- Dog note for Animal "协变：IEnumerable<Dog> → IEnumerable<Animal>" note for Dog "逆变：Action<Animal> → Action<Dog>"

数学表示

协变和逆变可以用数学符号表示：

• 协变：若 `A ≤ B`，则 `F<A> ≤ F`（`F` 是协变类型构造器）。
• 逆变：若 `A ≤ B`，则 `F ≤ F<A>`（`F` 是逆变类型构造器）。

解析失败 (语法错误): {\displaystyle \text{协变：} \quad A \leq B \implies F<A> \leq F<B> \\ \text{逆变：} \quad A \leq B \implies F<B> \leq F<A> }

总结

• 协变 (`out`) 允许从派生类向基类转换，适用于返回类型。
• 逆变 (`in`) 允许从基类向派生类转换，适用于输入参数。
• 协变和逆变提高了泛型类型的灵活性，尤其在集合和委托中非常有用。