C# 中的协变和逆变

作为一个从接触 Unity 3D 才开始学习 C# 的人，我一直只了解一些最基本、最简单的语言特性。最近看了《C# in Depth》这本书，发现这里面东西还真不少，即使除去和 Windows 编程相关的内容，只是兼容 Unity 的部分就够好好消化一阵子的。其中，令我非常头大的一组概念，就是协变性和逆变性（统称可变性）。

一、可变性的概念

C# 一开始就支持数组的协变，听说是为了和 Java 竞争于是就把 Java 的这个不怎么样的特性给实现了。看如下代码，

object[] myArray = new string[] { "abc", "def", "ghi", // ... };

我 new 了一个 string 类型的数组，却把它作为一个 object 类型数组的初始化式。这可以编译通过，也就是说，使用 object 数组的地方，都可以传入 string 数组。推广一下，就是使用基类数组的地方，都可以传入派生类数组。这样看来，协变的概念没什么深奥的，所谓协变性指的就是，在一个使用一般类型的地方，可以传入一个特殊类型的对象。那么，最基本的协变就是面向对象中的多态——使用基类型对象的地方，都可以传入派生类对象。

但是，上面这个数组的协变性还是很特别的。首先，在 C# 的类型系统中，派生类型的数组并不继承自基类型的数组（别的语言也是如此吧）。所以，它的确是一种新的协变性。其次，如果你做一个如下操作，你就会收到运行时错误，告诉你数组类型不匹配：

myArray[0] = 3;

也就是说，CLR 还是知道 myArray 到底是什么类型的，并且不许改变。这显得有些别扭，不过至少我通过它知道协变是什么了。于是逆变就是反过来的概念——在一个使用特殊类型的地方，可以传入一般类型的对象。

二、委托中的可变性

在 C# 1 中，如果我们定义一个委托类型，那么用于它的方法将必须在参数表和返回值方面严格匹配。但是 C# 2 里事情改变了，它支持对参数的逆变性和对返回值的协变性。假定有类型 Base 和 Derived，其中后者派生自前者，那么下面代码是合法的。

delegate Base VariantDelegate(Derived d);

public Derived MyFunc(Base b) 
{ 
    // ...
}

VariantDelegate d = new VariantDelegate(MyFunc);

委托 VariantDelegate 要求一个 Base 类型的返回值，但是我们可以给它一个 Derived 类型的返回值，即这返回值是协变的。类似的，这委托的参数是逆变的。为什么这样是合理的呢？

考虑使用这委托的地方，它最终会调用这个委托的实例，传入参数，处理返回值。由于使用者必须给这个委托实例传一个 Derived 类型（或者它的子类型）的参数，那么，如果这委托所调用的方法 MyFunc 本身需要一个 Base 类型的参数，不会有任何问题。因为所有的 Derived 对象可以被当做是 Base 类型的对象来使用。具体的说，如果 Base 是 object，而 Derived 是 string，那么本例中，委托的使用者会给委托一个 string 类型的参数，而 MyFunc 会把这 string 当做是 object 处理，当然是安全的。另一方面，对于这委托的返回值，使用者当它是个 Base 来处理，那么，MyFunc 实际返回的是 Derived 也就没有任何问题。这其实就是消费代码必须把传入对象当做是一个更加泛化（一般）的对象来处理。因此，如果让委托参数支持协变，返回值支持逆变，那么一定会死得很难看。

三、泛型中的可变性

一直到 C# 3，泛型类型、接口、委托的参数都是不可变的。基于和上述类似的逻辑，C# 4 终于决定在泛型接口和委托中支持类型参数的可变性。如果你想使用可变性，必须在类型参数前用 in 或者 out 修饰符来显式指定。和前面类似，如果一个类型参数仅用作接口方法或者委托中的（普通）参数，那么它可以被指定为逆变的（使用 in 来修饰)；如果它只作为返回值，那么它可以被指定为协变的（使用 out 来修饰）。最常见的例子是下面两个委托：

delegate void Action<T>(T t);
delegate TResult Func<TResult>();

在 C# 4 中的定义变成了

delegate void Action<in T>(T t);
delegate TResult Func<out TResult>();

如果理解了上面介绍的关于（非泛型）委托参数和返回值的可变性，那么对这样的泛型委托也可以很容易的理解。但是，如果情况复杂了怎么办呢？考虑下面这个情况：

delegate void Action2<T>(Action<T> action);

这个委托如果要受可变性的恩泽，应该在 T 前面加什么修饰符呢？答案是 out，而书上的解释是模糊的：“作为一个便捷的规则，可以认为内嵌的逆变性反转了之前的可变性。”这话谁看得懂呢？还是来分析一下好了。

这个委托 Action2 的参数是 Action<T> 类型。基于委托参数的逆变性，我们可以传递一个比 Action<T> 更特殊（如果不是 Action<T> 本身）的类型。那么怎样的类型是比 Action<T> 特殊呢？由于委托参数的逆变性，Action<T> 需要一个比 T 特殊（如果不是 T 本身的话）的参数，也就是说，使用 Action<object> 的地方可以传一个 Action<string>。所以，我们可以将其理解为，Action<string> 是比 Action<object> 更泛化的类型。那好了，Action<object> 就是比 Action<string> 更窄化。这样，前面说需要 Action<T> 参数的地方，可以传一个 Action<T 的派生类>。也就是说，在 Action2<T> 中，要求类型 T 的时候可以传入 T 的派生类，所以 T 是协变的，应加 out 修饰符。从这个例子，也可以明白前面引用的《C# in depth》上的解释：object 本身是比 string 更泛化的类型，但逆变性使得 Action<string> 成了比 Action<object> 更泛化的类型。

值得注意的一点，就是 out 的意思。out 除了表示类型参数的协变性之外，还有一个作用，就是作为函数参数的修饰符，表示输出参数。如果泛型接口或者委托的类型参数用于输出参数，那么它本身是不可变的，也就不能用 out 来修饰了。为什么呢？我们假定 CLR 支持这种可变性（从语义上来看当然应该是协变性），看看会发生什么。考虑如下委托：

delegate void WrongDelegate<out T>(out T t); // Won't really compile

它有一个输出参数，是 T 类型的。我们标记它是协变的，那么需要 WrongDelegate<string> 的地方可以传入 WrongDelegate<object>。也就是说它可以从下面这样的方法实例化：

void MyFuncWithOutParam(out object o)
{
    // Something will be assigned to o here
}

可是，使用 WrongDelegate<string> 的地方会传一个 string 类型的变量给它作为输出参数，而 MyFuncWithOutParam 认为传进来的东西是 object，不定会赋什么样的对象给它，后果不堪设想。至于如果 T 是逆变的会发生什么问题，我还没有想清楚，很可能是因为，输出参数是不能做类型转换的（比如编译器会告诉你 out object 不能转换为 out string 或者反过来）。但为什么输出参数不能做类型转换呢？

无论如何，输出参数和返回值还是很不一样的。输出参数毕竟还是参数。对 CLR 来说，输出参数是带有特别属性的引用参数，我理解和引用参数的区别并不大。而对于引用参数，人们可能更容易理解它为什么不能是可变的。

注意：这里说的可变性，是英文 Variance，协变和逆变分别是 Covariance 和 Contravariance，要和 mutability 区分。

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旧文搬运，2013-12-15 首发于博客园。