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代码如诗

C# 逆变与协变

2017年8月31日 Java 0

该文章中使用了较多的 委托delegate和Lambda表达式,如果你并不熟悉这些,请查看我的文章《委托与匿名委托》、《匿名委托与Lambda表达式》以便帮你建立完整的知识体系。

在C#从诞生到发展壮大的过程中,新知识点不断引入。逆变与协变并不是C#独创的,属于后续引入。在Java中同样存在逆变与协变,后续我还会写一篇Java逆变协变的文章,有兴趣的朋友可以关注一下。

逆变与协变,听起来很抽象、高深,其实很简单。看下面的代码:

class Person
    {

    }
    class Student : Person
    {

    }
    class Teacher: Person
    {

    }
    
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            List<Person> plist = new List<Person>();
            plist = new List<Student>();
            plist = new List<Teacher>();
}
}

在上面的代码中,plist = new List<Student>()、plist = new List<Teacher>()两句产生编译错误。虽然Person是Student/Teacher的父类,但List<Person>类型却不是List<Student/Teacher>类型的父类,所以上面的赋值语句报类型转换失败错误。

如上这样的赋值操作,在C# 4.0之前是不允许的,至于为什么不允许,类型安全是首要因素。看下面的示例代码:

List<Person> plist = new List<Student>();
plist.Add(new Person());
plist.Add(new Student());
plist.Add(new Teacher());

如下示例,假设 List<Person> plist = new List<Student>() 允许赋值,那plist虽然类型为List<Person>集合,但实际指向确是List<Student>集合。plist.Add(new Person()),添加操作实际调用的是List<Student>.Add()。Person类型无法安全转换为Student,所以这样的集合定义没有意义,所以上面的假设不成立。

但情况在C# 4.0之后发生了变化,并不是“不可能发生的事情发生了”,而是应用的灵活性做出了新的调整。同样的在C# 4.0中上面的程序仍是不被允许的,但却出现了例外。从C# 4.0开始,在泛型委托、泛型接口中,允许特殊情况的发生(实质上并未发生特殊变化,后面说明)。如下示例:

 

delegate void Work<T>(T item);

class Person
{
        public string Name { get; set; }
}
class Student : Person
{
        public string Like { get; set; }
}
class Teacher : Person
{
        public string Teach { get; set; }
}

class Program
{
        static void Main(string[] args)
        {
            Work<Person> worker = (p) => { Console.WriteLine(p.Name); }; ;
            Work<Student> student_worker = (s) => { Console.WriteLine(s.Like); };
            student_worker = worker; //此处编译错误
        }
}

 

根据前面的理论支持,student_worker = worker;的错误很容易理解。但此处我们程序的目的是让 woker  充当 Work<Student> 的功能,以后调用 student_worker(s)实际调用的是woker(s)。为了满足我们的需求,需要程序做2方面的处理:

1、因在调用student_worker(s)时,实质执行的是woker(s),所以需要s变量的类型能成功转换为woker需要的参数类型。

2、需要告诉编译器,此处允许将 Work<Person> 类型的对象赋值给 Work<Student>类型的变量。

 

条件1在调用时student_worker(),时编译器会提示要求参数必须是Student类型对象,该对象可成功转换为Person类型对象。

条件2则需要对Woke委托定义进行调整,调整如下:

delegate void WorkIn<in T>(T item);

委托名字改为WorkIn是为却别修改前后的委托,关键之处为<in T>。通过增加 in 关键字,标注该泛型委托的类型参数T,仅作为委托方法的参数来使用。此时上面的程序便可成功编译并执行。

delegate void WorkIn<in T>(T item);
class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            WorkIn<Person> woker = (p) => { Console.WriteLine(p.Name); };
            WorkIn<Student> student_worker = woker;
            student_worker(new Student() { Name="tom", Like="C#" });

        }
    }

对于要求类型参数为子类型,允许赋值类型参数为父类型值的这种情况,称为逆变。逆变在C#中需要用 in 标注泛型的类型参数。逆变虽叫逆变,但只是形式上看似父类对象赋值给子类变量,实质上是方法调用时参数的类型转换。Student s = new Person(),这是不可能的,这不是逆变是错误。

上面的代码如你能转换为下面的形式,那你就可以忘却逆变,本质比现象更重要😀:

delegate void WorkIn<in T>(T item);
 class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            WorkIn<Person> woker = (p) => { Console.WriteLine(p.Name); };
            WorkIn<Student> student_worker = (s)=> { woker(s); };
            student_worker(new Student() { Name="tom", Like="C#" });
        }
    }

协变

 现在修改我们的程序需求,要求Work委托执行后返回一个Person对象,如下:

    delegate T Work<T>();   
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Work<Person> worker = () => { return new Person(); };
            Work<Student> student_worker = () => { return new Student(); };

            worker = student_worker;
        }
    }

同上 worker = student_worker 无法通过编译,此时我们的目的为:用 Work<Student>  student_woker 的功能替代 Work<Person> 的功能,因为 student_woker 执行后返回一个Student对象,这完全符合 Work<Person> 的要求。

如果要实现上面的目的,程序同样需做2方面的处理:

1、因在调用 worker()时,实质执行的是 student_worker(),所以需要 student_worker() 执行结果能功转换为woker 执行后返回的类型。

2、需要告诉编译器,此处允许将 Work<Student>类型的对象赋值给 Work<Person> 类型的变量。

此时条件1,上述代码已经满足,对于条件2,需要泛型委托Work做如下调整:

delegate T WorkOut<out T>();

委托名字改为WorkOut也为却别修改前后的委托,关键之处为<out T>。通过增加 out 关键字,标注该泛型委托的类型参数T,仅作为委托方法的返回值类型来使用。此时上面的程序便可成功编译并执行。

delegate T WorkOut<out T>();
class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            WorkOut<Person> worker = () => { return new Person(); };
            WorkOut<Student> student_worker = () => { return new Student(); };

            worker = student_worker;
            Person p = worker();
        }
    }

对于要求泛型类型参数为父类型,允许赋值类型参数为子类型值的这种情况,称为协变。协变在C#中需要用 out 标注泛型的类型参数。

注意:逆变、协变类型说明的区别。根据引出的定义逆变的形式只可能发生在泛型上(泛型接口、泛型委托),而协变的代码形式就比较多,但并不一定是协变。所以在协变中用红色注明,必须是关于泛型参数的情况才是协变。下面这类情况不属于协变(至少我不认为它们是协变):

Person p = new Student();

上面的示例代码如你能转换为下面的形式,那你也可以忘却协变😀:

delegate T WorkOut<out T>();
class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
           
            WorkOut<Student> student_worker = () => { return new Student(); };
            WorkOut<Person> worker = () => { return student_worker (); };
            Person p = worker();
        }
    }

 

通过上面的内容可以发现,逆变、协变其实是方法参数、返回值类型的转换与对委托方法的包装而已。抓住其核心,再看各种形式的代码就简单了。

在C# 4.0 中 你可以查看 Action,Func的定义,以便更深入理解逆变、协变。