C#泛型的逆變協變(個人理解)

崩壞的領航員發表於2023-04-04
C#泛型

前編

一般來說, 泛型的作用就類似一個佔位符, 或者說是一個引數, 可以讓我們把型別像引數一樣進行傳遞, 儘可能地複用程式碼

我有個朋友, 在使用的過程中發現一個問題

IFace<object> item = new Face<string>(); // CS0266

public interface IFace<T>
{
    string Print(T input);
}
public class Face<T> : IFace<T>
{
    public string Print(T input) => input.ToString();
}

Q:   string 明明是 object 的子類, 為啥這樣賦值會報錯呢？？？
A:   因為 Face<string> 實現的是 IFace<string>, 而 IFace<string> 並不是 IFace<object> 的子類
Q:   但是 string 是 object 的子類啊, IFace<string> 可不就是 IFace<object> 嗎?
A:   如果只論介面定義, 看起來確實是這樣的, 但是你要看內部實現的方法, IFace<string> 的 Print 方法引數是 string, 但是 IFace<object> 的 Print 引數是 object, 如果上面的賦值可以成立, 就意味著允許 Print(string input) 方法傳遞任意型別的物件, 這樣明顯是有問題的
Q:   但是我曾經看到過 IEnumerable<object> list = new List<string>(); 這個為什麼就可以
A:   這就要講到C#泛型裡的逆變協變了
Q:   細嗦細嗦

逆變協變

C#泛型中的逆變(in)協變(out)對於不常自定義泛型的開發來說(可能)是個很難理解的概念, 簡單來說其表現形式如下

逆變(in): I<子類> = I<父類>
協變(out): I<父類> = I<子類>

上面例子中提到的 IEnumerable<object> list = new List<string>(); 體現的是協變, 符合一般直覺, 整體上看起來就像是將子類賦值給基類

轉到 IEnumerable<> 的定義, 我們可以看到

public interface IEnumerable<out T> : IEnumerable
{
    new IEnumerator<T> GetEnumerator();
}

泛型 T 之前加了協變的關鍵詞 out, 代表支援協變, 可以進行符合直覺且和諧的轉化

前編中提到的程式碼例子不適用並且也不能改造成協變, 只適合使用逆變

相比於符合直覺且和諧的協變, 逆變是不符合直覺並且彆扭的

IFace<string> item = new Face<object>();

public interface IFace<in T>
{
    string Print(T input);
}
public class Face<T> : IFace<T>
{
    public string Print(T input) => input.ToString();
}

這是一個逆變的例子, 與協變相似, 需要在泛型 T 之前加上關鍵詞 in

對比上方的協變, 逆變看起來就像是將基類賦值給子類, 但這其實符合里氏代換的

當我們呼叫 item.Print 時, 看起來允許傳入的引數為 string 型別, 而實際上最終呼叫的 Face<object>.Print 是支援 object 的, 傳入 string 型別的引數沒有任何問題

逆變協變的作用

逆變(in)協變(out)的作用就是擴充套件泛型的用法, 幫助開發者更好地複用程式碼, 同時透過約束限制可能會出現的破壞型別安全的操作

逆變協變的限制

雖然上面講了逆變(in)協變(out)看起來是什麼樣的, 但我的那個朋友還是有些疑問

Q:   那我什麼時候可以用逆變, 什麼時候可以用協變, 這兩個東西用起來有什麼限制?
A:   簡單來說, 有關泛型輸入的用逆變, 關鍵詞是in, 有關泛型輸出的用協變, 關鍵詞是out, 如果介面中既有輸入又有輸出, 就不能用逆變協變
Q:   為什麼這兩個不能同時存在?
A:   協變的表現形式為將子類賦值給基類, 當進行輸出相關操作時, 輸出的物件型別為基類, 是將子類轉為基類, 你可以說子類是基類;
逆變的表現形式為將基類賦值給子類, 當進行輸入相關操作時, 輸入的物件為子類, 是將子類轉為基類, 這個時候你也可以說基類是子類;
如果同時支援逆變協變, 若先進行子類賦值給基類的操作, 此時輸出的是基類, 子類轉為基類並不會有什麼問題, 但進行輸入操作時就是在將基類轉為子類, 此時是無法保證型別安全的;
Q:   聽不懂, 能不能舉個例子給我?
A:   假設 IEnumerable<> 同時支援逆變協變, IEnumerable<object> list = new List<string>();進行賦值後, list中實際儲存的型別是string, item.First()的輸出型別為object, 實際型別是string, 此時說string是object沒有任何問題, 協變可以正常發揮作用;
但是如果支援了逆變, 假設我們進行輸入型別的操作, item.Add() 允許的引數型別為 object, 可以是任意型別, 但是實際上支援string型別, 此時的object絕無可能是string
Q:   好像聽懂了一點了, 我以後慢慢琢磨吧

兩者的限制簡單總結就是

輸入的用逆變
輸出的用協變

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