你了解C#的協變和逆變嗎

• 2020 年 5 月 18 日
• 筆記
• c#, 協變, 逆變

• 從C# 4.0開始，泛型介面和泛型委託都支援協變和逆變，由於歷史原因，數組也支援協變。
• 里氏替換原則：任何基類可以出現的地方，子類一定可以出現。

協變（out）

• 協變：即自然的變化，遵循里氏替換原則，表現在程式碼上則是任何基類都可以被其子類賦值，如Animal = Dog、Animal = Cat
• 使用out關鍵字聲明（注意和方法中修飾參數的out含義不同）
• 被標記的參數類型只能作為方法的返回值（包括只讀屬性）
• 在沒有協變時：

  abstract class Animal {}
  class Dog : Animal {}
  class Cat : Animal {}
  
  interface IPoppable<T>
  {
      T Pop();
  }
  class MyStack<T> : IPoppable<T>
  {
      private int _pos;
      private readonly T[] _data = new T[100];
  
      public void Push(T obj) => _data[_pos++] = obj;
      public T Pop() => _data[--_pos];
  }
  

  以下程式碼是無法通過編譯的

  var dogs = new MyStack<Dog>();
  IPoppable<Animal> animals1 = dogs; // 此處會發生編譯錯誤
  Stack<Animal> animals2 = dogs; // 此處會發生編譯錯誤
  

  此時，我們如果需要為動物園飼養員新增一個輸入參數為Stack<Animal>飼餵的方法，一個比較好的方法是新增一個約束泛型方法：

  class Zookeeper
  {
      public static void Feed<T>(IPoppable<T> animals) where T : Animal {}
  }
  // 或者
  class Zookeeper
  {
      public static void Feed<T>(Stack<T> animals) where T : Animal {}
  }
  
  // Main
  Zookeeper.Feed(dogs);
  

• 現在，C#增加了協變
  使IPoppable<T>介面支援協變

  // 僅僅增加了一個 out 聲明
  interface IPoppable<out T>
  {
      T Pop();
  }
  

  簡化Feed方法

  class Zookeeper
  {
      public static void Feed(IPoppable<Animal> animals) {}
  }
  
  // Main
  Zookeeper.Feed(dogs);
  

  協變的天然特性——僅可作為方法返回值，介面（或委託）外部無法進行元素添加，確保了泛型類型安全性，所以不用擔心Dog的集合中出現Cat

• 常用的支援協變的介面和委託有：
  • IEnumerable
  • IEnumerator
  • IQueryable
  • IGrouping<out TKey, out TElement>
  • Func等共17個
  • Converter<in TInput, out TOutput>

  IEnumerable<Dog> dogs = Enumerable.Empty<Dog>();
  IEnumerable<Animal> animals = dogs;
  
  var dogList = new List<Dog>();
  IEnumerable<Animal> animals = dogList;
  

• 另外，由於歷史原因，數組也支援協變，例如

  var dogs = new Dog[10];
  Animal[] animals = dogs;
  

  但是無法保證類型安全性，以下程式碼可正常進行編譯，但是運行時會報錯

  animals[0] = new Cat(); // 運行時會報錯
  

逆變(in)

• 逆變：即協變的逆向變化，實質上還是遵循里氏替換的原則，將子類賦值到基類上
• 使用in關鍵字聲明
• 被標記的參數類型只能作為方法輸入參數（包括只寫屬性）
• 例如：

  abstract class Animal {}
  class Dog : Animal {}
  class Cat : Animal {}
  
  interface IPushable<in T>
  {
      void Push(T obj);
  }
  class MyStack<T> : IPushable<T>
  {
      private int _pos;
      private readonly T[] _data = new T[100];
  
      public void Push(T obj) => _data[_pos++] = obj;
      public T Pop() => _data[--_pos];
  }
  
  // Main
  var animals = new MyStack<Animal>();
  animals.Push(new Cat());
  IPushable<Dog> dogs = animals;
  dogs.Push(new Dog());
  

  逆變的天然特性——僅可作為方法輸入參數，介面（或委託）無法進行元素獲取，即只能將子類賦值到父類上，進而保證了類型安全性。

• 另外，常用支援逆變的介面和委託有：
  • IComparer
  • IComparable
  • IEqualityComparer
  • Action等共16個
  • Predicate
  • Comparison
  • Converter<in TInput, out TOutput>

Action<Animal> animalAction = new Action<Animal>(a => { });
Action<Dog> DogAction = animalAction;