前言
協變（covariance）和 逆變（contravariance）是我們在學習泛型委託和泛型接口中遇到的比較抽象的一組概念。它們的使用方法，其實是非常簡單的，即：
用
in標記的逆變量只能出現在泛型接口的方法的輸入參數中，或者作爲泛型委託的輸入參數；
用out標記的協變量只能作爲泛型接口方法或者泛型委託的輸出參數。
但是，爲什麼需要將變量標記爲逆變或協變，即它們產生的原理，以及工作原理，卻是不太好理解。這裏我們就探究一下。
本質與原因
簡單本質
開門見山地說吧，協變和逆變的本質很簡單，就是實現 將一個 泛型類型變量 轉換爲 泛型實參不同的 同一種泛型類型變量。文字表述不好理解，舉個栗子：假設我定義了一個泛型委託 MyDelegate<T>。那麼，將T標記爲協變或者逆變，就可以實現 將一個 MyDelegate<T1> 變量轉換爲MyDelegate<T2>變量，其中T1和T2是兩個泛型的實際參數。
當然，T1和T2之間需要滿足一定的關聯：
- 協變量：泛型類型參數可以從一個類更改爲它的某個基類。例如下面的代碼是合法的：
public delegate void MyDelegate<out T>();
MyDelegate<BaseClass> d_base;
MyDelegate<DerivedClass> d_son = new MyDelegate<DerivedClass>(DoSomething);
d_base = d_son;
- 逆變量：泛型類型參數可以從一個類更改爲它的某個派生類。例如下面的代碼是合法的：
public delegate void MyDelegate<in T>();
MyDelegate<BaseClass> d_base = new MyDelegate<BaseClass>(DoSomething);
MyDelegate<DerivedClass> d_son = new MyDelegate<DerivedClass>(DoSomething);
d_son = d_base;
這樣一來，協變和逆變就很好理解了，它們本質就是 類型轉換，只不過是針對泛型類型的。
產生原因
爲什麼泛型類型需要協變和逆變呢？我們知道，DerivedClass是可以隱式地轉換爲BaseClass的。但是當具有繼承關係的類型是 泛型類型的實際參數 的時候，情況就不一樣了。泛型類型會丟失泛型參數的繼承關係。
泛型類型的一個特點就是，只要泛型實際參數的類型不同，CLR就會創建不同的類型對象（Type object，可參考這篇文章），把它們當做不同的類型。這也是好理解的。於是乎，即使DerivedClass是派生自BaseClass的，但是 IMyInterface<BaseClass> 和 IMyInterface<DerivedClass>就是完全不同的兩個類型，它們之間不再有任何繼承關係。這就是問題產生的原因。
這種情況稱爲泛型的 不變性（invariance）。在 .NET 4 之前，尚未引入in和out關鍵字，所有泛型類型的泛型參數都是不變量（invariant），這意味着泛型類型不可更改。舉一個簡單案例：List<int> 與 List<long> 是不同的集合類型，不能將List<int> 轉換爲 List<long> 。
泛型的不變性（invariance）對我們的編碼限制很大，因爲有時候我們需要將泛型實參不同的同種泛型類型相互轉化，於是便產生了協變和逆變。考慮這種情況：我們有一個泛型接口IMyInterface<T>，它定義了一個方法DoSomething()，這個方法是返回泛型實參T的一個實例的，見下：
public interface IMyInterface<T>
{
T DoSomething();
}
public class MyImplementation<T> : IMyInterface<T>
{
public T DoSomething()
{
return (T)Activator.CreateInstance(typeof(T));
}
}
static void Main(string[] args)
{
IMyInterface<BaseClass> interface1;
IMyInterface<DerivedClass> interface2 = new MyImplementation<DerivedClass>();
interface1 = interface2;//編譯失敗
interface1.DoSomething();
}
在客戶端調用時，我們定義了IMyInterface<BaseClass>和IMyInterface<DerivedClass>。由於這個接口的方法返回的是泛型實參的實例，因此我們希望能將 IMyInterface<DerivedClass>轉換爲IMyInterface<BaseClass>而 不影響 接口方法的調用，因爲，前者返回的是派生類，可自動隱式轉化爲其父類。但是，上述Main中的轉化代碼會編譯失敗，提示無法轉換。
爲了提高泛型類型的靈活性，.NET 4 引入泛型參數的 in 和 out 關鍵字。我們將上述 IMyInterface<T> 修改爲 IMyInterface<out T>，那麼Main中的代碼就可以編譯通過了。
這就是協變產生的原因，也是爲什麼上文中提到，協變要求泛型參數T只能出現在輸出位置的原因。
對於逆變，原因是類似的。如果泛型參數T是作爲方法的輸入參數或者委託的輸入參數使用，那麼，一個 IMyInterface<DerivedClass>變量傳入的參數就是一個 DerivedClass 實例，那麼我們希望可以將IMyInterface<DerivedClass>變量轉化爲IMyInterface<BaseClass>變量，因爲後者需要 BaseClass 實例作爲輸入，前者的DerivedClass 實例可以自動轉換爲BaseClass 實例，不影響後者方法的調用。因此，逆變就被引入了。
例如，下面代碼能通過編譯，因爲 Action 委託被定義爲 Action<in T>(T obj)：
Action<BaseClass> actionBase = MyAction;
Action<DerivedClass> actionDerived;
actionDerived = actionBase ;
廣義上的協變與逆變
其實逆變和協變這兩個概念與泛型是無關的。在.NET中，參數類型本來就是協變的，即：方法可以接受其參數類型的子類型實例作爲實際參數；方法的返回類型是逆變的，返回結果（子類）可以被轉換成其父類。
逆變可以這樣理解：把一個表達式的父類形式替換成其子類的相應形式；
而協變就是：把一個表達式的子類形式替換爲其父類的相應形式。
例如：
DoSomething(BaseClass) 這一個定義可以被 DoSomething(DerivedClass) 這樣調用，就是協變的；
DerivedClass d = GetDerivedClass() 可以被 BaseClass b = GetDerivedClass() 這樣調用，就是逆變的。
參考文獻
[1] Eric Lippert 系列文章
[2] 《C#高級編程》，Christian Nagel
[3] 《CLR via C#》，第四版