c#: 協變和逆變深度解析

環境：

• window 10
• .netcore 3.1
• vs2019 16.5.1

一、爲什麼要有協變？

首先看下面的代碼：

還有下面的：

其實上面報錯的是同一個問題，就是你無法用List<Fruit>指向List<Apple>！
我們的疑問在於，明明是一個盛放蘋果的箱子，我們說它可以盛放水果怎麼了？？？
下面我來說一下原因：

• 首先，不能根據這個類的用途去判斷，因爲你無法保證List這個類一定是集合（List當然是集合，但如果是Person<T>呢，它是做什麼的？只是盛放東西嗎？）。
• 其次，Apple繼承自Fruit沒錯，但List<Apple>和List<Fruit>壓根就沒有繼承的說法，它們是不同的類型（泛型參數類型不同也是不同的類型）：

  Console.WriteLine(typeof(List<Apple>) == typeof(List<Fruit>));輸出爲：false

所以，我們用List<Fruit>去表示List<Apple>引發報錯很正常！！！

但是，從我們程序員角度來說，這樣肯定不方便，那麼有沒有解決辦法呢？
答案：有，它就是協變！

二、什麼是協變？

首先，明確一下目的：我們想讓List<Fruit> list = new List<Apple>();這類代碼成立！（這行代碼肯定不成立，我說的是這類代碼）
想要達到我們的目的，肯定是要有規則的：

• 必須使用接口進行指向，不能使用類：

  比如說：我們只能這麼寫IList<Fruit> list = new List<Apple>();（雖然這樣寫也報錯），不能夠這麼寫List<Fruit> list = new List<Apple>();
  爲什麼不能使用類？因爲類裏面牽扯到的內容比較多，而下一條規則就說了：方法的入參不能使用泛型參數，所以爲了儘量把這種約束的範圍變小一點，我們也應該在接口上加規則約束而不是直接在類上（這一點是我猜的）。

• 這個接口的泛型參數只能用來做接口內方法的返回值，不能用作接口內方法的參數（在泛型參數前加out關鍵字實現）：

  這裏從兩方面說：
  1.允許這個泛型參數做返回值：比如定義接口ITest<out T>，允許T作爲接口內方法MethodA的返回值（T MethodA();）。在使用的時候，你用ITest<Fruit>指向ITest<Apple>，那麼當調用ITest<Fruit>的方法MethodA的時候你得到的返回類型聲明是Fruit，實際上你得到的返回類型是Apple，所以一點問題沒有。
  2.禁止這個泛型參數做方法的入參：比如定義接口ITest<out T>，允許T作爲接口內方法MethodA的入參（void MethodA(T t);）。在使用的時候，你用ITest<Fruit>指向ITest<Apple>，那麼當調用ITest<Fruit>的方法MethodA的時候你看到這個方法要求傳入一個Fruit，所以你可能傳一個
  orange（橙子，也繼承了Fruit）進去，但人家實際上是ITest<Apple>，要求傳入的是Apple，這樣肯定說不通！所以泛型參數禁止做方法的入參！

上面說了規則，那麼下面來一個實例：

可以看到，我們按照規則在ITest的泛型參數T上加了out後，整個程序腰不酸了、腿不疼了。
事實上，微軟在集合的定義上已經考慮到了這一點，看一下IEnumerable的定義：

所以，我們像下面這樣寫也沒有錯：

講到這裏，我們可以說一下什麼是協變了：
假如有兩個類：A和AA，其中AA繼承自A，如果此時有一個泛型接口IC<out T>，那麼可以認爲IC<A>能指向IC<AA>，即：IC<AA>和IC<A>的關係看着像AA和A的關係一樣（只是看着像，並且能單方向轉換，但不是繼承！！！）。

三、什麼是逆變？

逆變和協變是相對的，具體來說：
逆變的目的是：讓List<Apple> test = new List<Fruit>();這類代碼成立！（這行代碼肯定報錯，我說的是這類代碼）
你一定認爲這瘋了，“說一個盛放水果的箱子盛放的是蘋果”肯定不對。
但是我們看下面的實例：

上圖中的代碼是不是顛覆了你的認知？
好吧，這就是逆變：一個可以讓你用ITest<Apple>去指向Test<Fruit>()的存在！
這裏還是再說一下逆變的規則：

• 必須使用接口進行指向，不能使用類：

  這一點和協變是一樣的。

• 這個接口的泛型參數只能用來做接口內方法的入參，不能用作接口內方法的返回值（在泛型參數前加in關鍵字實現）：

  這裏從兩方面說：
  1.允許這個泛型參數做方法的入參：比如定義接口ITest<in T>，允許T作爲接口內方法MethodA的入參（void SetValue(T t);）。在使用的時候，你用ITest<Apple>指向ITest<Fruit>，那麼當你調用ITest<Apple>的方法MethodA的時候你看到這個方法要求傳入一個Apple，實際上人家是ITest<Fruit>，人家要求傳入的是Fruit，所以這裏一點問題沒有。
  2.禁止這個泛型參數做方法的返回值：比如定義接口ITest<in T>，允許T作爲接口內方法MethodA的返回值（T GetValue();）。在使用的時候，你用ITest<Apple>指向ITest<Fruit>，那麼當調用ITest<Apple>的方法MethodA的時候你得到的返回類型聲明是Apple，但實際上人家是ITest<Fruit>，所以返回的是一個orange（橙子，也繼承了Fruit）也說不定，所以你用Apple去接收這個返回值肯定不行的，所以泛型參數禁止做方法的返回值！

四、委託內的協變和逆變

委託中的泛型參數是天然就可以支持協變或逆變中的一種的！

對這句話的理解如下：

• 如果你這麼定義委託：public delegate T GetValue<T>();，那麼它天然支持協變（因爲T只用來聲明返回值），如下代碼：
  
• 如果你這麼定義委託：public delegate void SetValue<T>(T t);，那麼它天然支持逆變（因爲T只用來做入參），如下代碼：
  
• 如果你這麼定義委託，它既不支持協變，也不支持逆變：public delegate T Deal<T>(T t);（因爲T即用來做入參也用來做返回值），如下代碼：
  

其實，在委託中爲了更好的表示泛型參數是支持協變還是逆變，最好是定義的時候就用out或in參數進行聲明，比如：
public delegate T GetValue<out T>();//支持協變
public delegate void SetValue<in T>(T t);//支持逆變

微軟在Func、Action系列委託中已經爲我們做了示範：