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理解 C# 泛型接口中的协变与逆变(抗变)

理解 C# 泛型接口中的协变与逆变(抗变)。  今天回忆了之前看的《深入理解C#》这本书中的泛型章节,其中对泛型的可变性的理解。泛型可变性分两种:协变和逆变。逆变也又称为抗变。

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。

【转】那些年搞不懂的术语、概念:协变、逆变、不变体

 怎么理解这两个名词的意思:

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,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。

简述什么是协变性、逆变性、不变性

  • 协变性,如:string->object (子类到父类的转换)
  • 逆变性,如:object->string (父类到子类的转换)
  • 不变性,基于上面两种情况,不可变。具体下面再做分析。

  ①:协变即为在泛型接口类型中使用out标识的类型参数。协变的字面意思是“与变化的方向相同”②逆变那就是用in来标识的泛型接口类型的类型参数。逆变的字面意思是“与变化的方向相反”

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:

  1. 在向函数输入时,参数 s 由 string 类型转换为 object 类型
  2. 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):
  3. string Method(object o) 可变换为 string Method(string o)
  4. 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

泛型委托的可变性

先使用框架定义的泛型委托Func和Action做例子(不了解的请戳)

协变:(string->object)

Func<string> func1 = () => "农码一生";
Func<object> func2 = func1;

逆变:(object->string)

Action<object> func3 = t => { };
Action<string> func4 = func3;

上面代码没有任何问题。

接着我们自己定义委托试试:

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我X,看人不来哦。为什么自定义的委托却不能协变呢。

我看看系统定义的Func到底和我们自定义的有什么不同:

public delegate TResult Func<out TResult>();

多了一个out,什么鬼:

  • out:对于泛型类型参数,out 关键字指定该类型参数是协变的。 可以在泛型接口和委托中使用 out 关键字。(来源)
  • in:对于泛型类型参数,in 关键字指定该类型参数是逆变的。 可以在泛型接口和委托中使用 in 关键字。(来源)

那么我们可以修改自定义委托:

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完美!

那如果我们要实现逆变性呢:

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直接逆变是不可行的,我们需要修改泛型类型参数:

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我们发现整个委托参数都变了。本来的返回值,改成输入参数才行。

结论:

  • in->输入参数->可逆变(父类到子类的转变[如 object->string])
  • out->返回值->可协变(子类到父类的转变[如 string->object])

 

假设:如果泛型参数中既存在in又存在out改如何:

delegate Tout MyFunc<in Tin, out Tout>(Tin obj);

MyFunc<object, string> str1 = t => "农码一生";
MyFunc<string, string> str2 = str1;//第一个泛型的逆变(object->string)
MyFunc<object, object> str3 = str1;//第二个泛型的协变(string->object)
MyFunc<string, object> str4 = str1;//第一个泛型的逆变和第二个泛型的协变

以上都是没有问题的。 

然后我们看看编译后的C#代码:

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结论:

  • 所谓的逆变其实只是编译后进行了强制类型转换而已。

以上代码也可以直接写成:

//delegate Tout MyFunc<in Tin, out Tout>(Tin obj);
MyFunc<string, string> str5 = t => "农码一生";
MyFunc<object, object> str6 = t => "农码一生";
MyFunc<string, object> str7 = t => "农码一生";

  需要注意的是无论是协变还是逆变也只能在泛型接口中来使用。

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”。

泛型接口的可变性

接着看框架默认接口:

协变:(子类->父类)

IEnumerable<string> list = new List<string>();
IEnumerable<object> list2 = list;

逆变:(父类-> 子类)

IComparable<object> list3 = null;
IComparable<string> list4 = list3;

接下来我们试试自定泛型接口:

首先定义测试类型、接口:

// 人
public class People
{ }
//老师(继承People[人])
public class Teacher : People
{ }
//运动
public interface IMotion<T>
{ }
//跑步
public class Run<T> : IMotion<T>
{ }

然后我们测试协变性:

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同样我们需要把接口 interface
IMotion<T> 定义为 interface IMotion<out T> 

//运动
public interface IMotion<out T>{}

IMotion<Teacher> x = new Run<Teacher>();
IMotion<People> y = x;

如果我们要测试逆变性,则需要把 interface IMotion<T>
 定义为 interface IMotion<in T> 

//运动
public interface IMotion<in T>{}

IMotion<People> x2 = new Run<People>();
IMotion<Teacher> y2 = x2;

泛型接口的逆变,编译后同样进行了强制转换:

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当然,我们也可以直接写成:

IMotion<Teacher> y3 = new Run<People>();

  先来举个基本的例子,来加强你对可变性的理解。在C#中有隐式类型转换,比如:

四、总结

以上只讨论了协变与逆变在方法中的情况,其实在属性中情况也相类似,不再说明。
可能大家也发现了,所谓“协”与“逆”都是只是一种表象,其内在本质为同一过程。
“协变”与“逆变”中的“协”与“逆”表示泛型接口在将类型参数仅用于输入或输出的情况下,其类型参数的隐式转换所遵循的规律。

不变性

从上面我们知道逆变性的代码编译后都会进行强制转换。假设:那我们不用out、in直接手动强制转换是否可以?:

// 人
public class People { }
//老师(继承People[人])
public class Teacher : People { }
//运动
public interface IMotion<T> { }
//跑步
public class Run<T> : IMotion<T> { }

//协变
IMotion<Teacher> x = new Run<Teacher>();
IMotion<People> y = (IMotion<People>)x;

//逆变
IMotion<People> x2 = new Run<People>();
IMotion<Teacher> y2 = (IMotion<Teacher>)x2;
IMotion<Teacher> y3 = (IMotion<Teacher>)new Run<People>();

天才的我发现编译成功了,没有任何问题!且还可以同时协变、逆变??不对,真的天才了吗?我们运行试试:

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看来我还是太单纯了,如果真的这么容易绕过去,Microsoft又何必去搞个out、in关键字。

对于同一个泛型参数,我们既想有协变性又想逆变性,咋办?答案是不可行。这就会出现第三种情况,既不可以协变又不可以逆变。称为不变性。

如(我们在IMotion定义两个方法):

//运动
public interface IMotion<T>
{
    T Show();
    void Match(T t);
}

上面我们测试过,代码直接强制转换是不能实现协变、逆变的。那么我们只能通过out、in来实现。如果现在我们在泛型参数添加out或in属性会如何?:

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我们发现out和in都不能用。在用out时,有个传入参数为泛型 void Match(T
t) 的方法。使用in时,有个返回参数为泛型 T
Show() 的方法。现在就出现了是矛更锋利还是盾更坚硬的问题了。

最后结果是:都不能用,既不能协变,也不能逆变。此为不变体

小知识:

C#4.0之前 IEnumerable<T> 、 IComparable<T> 、 IQueryable<T> 等接口都不支持可变性,在4.0及之后才支持。因为4.0之前定义的泛型接口没有添加out、in关键字,有兴趣可以切换版本看看。

  string str = "nibian";
  object str1 = str;
  Console.WriteLine(str1);
协变

当泛型接口类型仅用于输出(使用关键词
out),其类型参数隐式转换所遵循的规律与对象引用的类型转换规律相同,称之为“协变”

延伸思考

为什么in[输入参数]就只能逆变?分析如下:

// 人
public class People { }
//老师(继承People[人])
public class Teacher : People
{
    //薪水
    public decimal Salary { get; set; }
}

//运动
public interface IMotion<in T>
{
    void Match(T t);
}
//跑步
public class Run<T> : IMotion<T>
{
    public void Match(T t)
    {
        //假设中间有很多逻辑.....       
    }
}

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为什么out[返回值]只能协变?分析如下:

// 人
public class People { }
//老师(继承People[人])
public class Teacher : People
{
    //薪水
    public decimal Salary { get; set; }
}

//运动
public interface IMotion<out T>
{
    T Show();
    //void Match(T t);
}
//跑步
public class Run<T> : IMotion<T>
{
    public T Show()
    {
        return default(T);
    }
    //public void Match(T t)
    //{
    //    //假设中间有很多逻辑.....         
    //}
}

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这里有两个关键点:

  • 传入参数(in)是把参数当成父类来用,显然可以逆变(子类当成父类来用[里氏替换原则]),但是却不可以把父类当子类来用(如:子类存在有而父类没有的方法或属性)。
  • 返回值(out)返回值类型用父类来接收,显然可以协变(父类可以接收一切子类),但却不可用子类接收父类数据(如:父类代表的对象不能强制转给子类[string
    str = (string)objcet])。

。。。是不是有点越想越头晕,想不明白就慢慢想。自己动动手。

如果实在想的头大,就把它当成是乌龟的屁股(龟腚规定)吧,知道是C#做的一种安全限制!

  

逆变

当泛型接口类型仅用于输入(使用关键词
in),其类型参数隐式转换所遵循的规律与对象引用的类型转换规律相反,称之为“逆变”、“抗变”或“反变”。

总结

关于泛型接口、泛型委托的可变性:

协变 -> 比较和谐正常的变化 ->
子类转父类 [如 string转object] -> 必须有out标识 [返回值]

逆变 -> 逆天的变化 ->
父类转子类 [如object转string] -> 必须有in标识 [传入参数]  (父亲变儿子,越活越年轻,还不够逆天吗?)

所谓的逆变,会在编译后的C#代码中进行强制类型转换。

示例:

  • IEnumerable<string> list =
    new List<string>();  
    IEnumerable<object> list2
    = list; //协变
    IEnumerable<object> list2
    = new List<string>();
     //(也可以直接写成这样)

  • IComparable<object> list3
    = null;
    IComparable<string> list4
    = list3; //逆变  编译后 [ IComparable<string> list4 = (IComparable<string>) list3;]

注意:

  • 不支持类的类型参数的可变性
  • 只有泛型接口和泛型委托可以拥有可变的类型参数(out、in)
  • 可变性只支持引用转换。(不能用于值类型)
  • 类型参数使用了 out 或者 ref 将禁止可变性

 

好了,今天就到这里。没啥高深的技术知识,主要为理解协变、逆变、不变体等术语和概念。

本文已同步至索引目录:《C#基础知识巩固》

 

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  大家都知道string类型是object类型的子类型,即string->object为子->父;从子类型到父类型的转换是隐式类型转换。

举个例子:

 interface IDemo<out T>
    {
        T Method(string str);
    }
    class One : IDemo<string>
    {
        public string Method(string str)
        {
            return str;
        }
    }
    class Two : IDemo<object>
    {
        public object Method(string str)
        {
            return str;
        }
    }
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            IDemo<string> one = new One();
            IDemo<object> two;
            two = one;
            Console.WriteLine(two.Method("2222"));
        }
    }

  

因为string是object类型的子类,在这里IDemo<string>和IDemo<object>类型之间也存在着类型转换的,从IDemo<string>向IDemo<object>进行的转换可以看成是子类型向父类型的隐式转换,它的这个用法就是协变。(这里必须要用out)

相反的我们在来看一下有关逆变的代码:

 interface IDemo<in T>
    {
        string Method(T str);
    }
    class One : IDemo<string>
    {
        public string Method(string str)
        {
            return str;
        }
    }
    class Two : IDemo<object>
    {
        public string Method(object str)
        {
            return str.ToString();
        }
    }
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            IDemo<object> two = new Two();
            IDemo<string> one;
            one = two;
            Console.WriteLine(one.Method("2222"));
        }
    }

  同样的从IDemo<object>类型向IDemo<string>类型的转换,但是在这里我们却将父类型隐式转换为子类型的用法叫逆变。(这里必须要用in)

总结:协变和逆变就是在泛型接口类型将类型参数作为输入和输出的情况下,对类型间进行隐式转换的规律。