不变性、协变性和逆变性（Invariance, Covariance & Contravariance）

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一、里氏替换原则(Liskov Substitution Principle LSP)

　　我们要讲的不是协变性和逆变性（Covariance & Contravariance）吗？是的，没错。但先不要着急，在这之前，我们有必要再回味一下LSP。废话不多说，直接上代码：

namespace LSP
{
    public class Bird
    {
        public virtual void Show()
        {
            Console.WriteLine("It's me, bird.");
        }
    }
}

namespace LSP
{
    public class Swan : Bird
    {
        public override void Show()
        {
            Console.WriteLine("It's me, swan.");
        }
    }
}

namespace LSP
{
    public class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Bird bird = new Swan();
            bird.Show();
            Console.ReadLine();
        }
    }
}

根据里氏替换原则，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。

因为Swan类继承于Bird类，所以“Bird bird=new Bird();”中，我需要创建一个Bird对象，你给了我一个Swan对象是完全可行的。通俗地讲，我要你提供鸟类动物给我，你给我一只天鹅，当然没有问题。

然而，我们在调用bird的Show方法时，发生了什么呢？

Bird类和Swan类中都有Show方法，调用这个方法时，编译器是知道这个bird实际指向的Swan对象的。它会先查看Swan本身是不是有同签名的方法，如果有就直接调用。如果没有再往Swan的父类里查看，如果再没有，再往上面找，直到找到为止。如果最终也没有找到，就会报错。

所以，我们看到程序调用的是Swan的Show方法："It's me, swan."

 

二、协变和逆变是什么？

关于这个，我们还是先看看官方的解释：

协变和逆变都是术语，前者指能够使用比原始指定的派生类型的派生程度更大（更具体的）的类型，后者指能够使用比原始指定的派生类型的派生程度更小(不太具体的)的类型。

看了是不是有种“懂的依然懂，不懂的依然不懂的感觉”？

简单地说，

协变：你可以用一个子类对象去替换相应的一个父类对象，这是完全符合里氏替换原则的，和协（谐）的变。如：用Swan替换Bird。

逆变：你可以用一个父类对象去替换相应的一个父类对象，这貌似不符合里氏替原则的，不和协（谐）的逆变。如：用Bird替换Swan。

那么事实真的如此吗？协变是不是比逆变更合理？其实他们完全就是一回事，都是里氏替换原则的一种表现形式罢了。

 

三、不变性(Invariance)

我们知道：Bird bird=new Swan();是没有问题的。

那么对于泛型，List<Bird> birds=List<Swan>();是不是也OK呢？

No!

首先，因为.Net Framework只向泛型接口和委托提供了协变和逆变的便利。

再者，想要实现协变或逆变，也得在语法上注明out(协变)或in(逆变)。

对于这类不支持协变和逆变的情况，我们称为不变性（Invariance）。为了维持泛型的同质性（Homogeneity），编译器禁止将List<Swan>隐式或显式地转换为List<Bird>。

好了，重点来了！

为什么要这样？这样，很不方便。而且，看起来也不符合里氏替换原则。

简单地说，维持同质性，不允许这样的转换，还是为了编译正常。什么是编译正常，就是别给咱报错。

public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            List<object> obj = null;
            List<string> str = null;

            /* Error:
             * Cannot implicitly convert type
             * 'System.Collections.Generic.List<string>' 
             * to 'System.Collections.Generic.List<object>'
            */

            //obj = str;

            Console.ReadLine();
        }
    }

如代码注解的那样，“obj=str;”编译器会报错：

Error ：Cannot implicitly convert type 'System.Collections.Generic.List<string>' to 'System.Collections.Generic.List<object>'

List<T>是微软提供给我们的，里面封闭太多东西，不方便分析，我们就自己动手来写一个泛型类Invariance<T>。

namespace Invariance
{
    public class Invariance<T>
    {
        T Test(T t)
        {
            return default(T);
        }
    }
}

写好了泛型类，我们再来试一试。

namespace Invariance
{
    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
           Invariance<object> invarianceObj = new Invariance<object>();
            Invariance<string> invaricaceStr = new Invariance<string>();

            //invarianceObj = invaricaceStr;
            //invaricaceStr = invarianceObj;
           
            Console.ReadLine();
        }
    }
}

"invarianceObj = invaricaceStr;"报错：

Error : Cannot implicitly convert type 'Invariance.Invariance<string>' to 'Invariance.Invariance<object>' 

“invaricaceStr = invarianceObj;”报错：

Error : Cannot implicitly convert type 'Invariance.Invariance<object>' to 'Invariance.Invariance<string>' 

讲到这么多报错，还是没讲到核心，为什么要报错。

我们可以假设，如果不报错，运行起来会是怎样：Invariance<T>类型参数T是在使用时，确定具体类型的。

先来说貌似符合里氏替换原则的情况，

Invariance<object> invarianceObj =new Invariance<string>();

用string替换object没有问题。但这个语句表达的不仅仅是用string来替换object，也表示用object来替换string。

关键在于类型参数，是在泛型类中使用的，我们不敢保证他是否于参数还是返回值。

如：Invariance<object> invarianceObj调用Test（object obj），传入的是自身的类型参数，而实际执行时，是执行实际指向的对象Invariance<string> invarianceStr的Test(string str)方法。很明显，Invariance<string> invariance的Test(string str)方法需要接收一个string类型的参数，得到却是一个object。这是不合法的。

那是不是反过来就可以了呢？

Invariance<string> invaricaceStr=new Invariance<object>();

这样，你实际执行方法时，需要一个object类型的参数，我给你一个string总没问题了吧。

OK，这样完全没有问题。

然而，不要忘了，方法可能不只是有参数，还可能有返回值。

参数：Invariance<string> invaricaceStr调用Test（string str），将string传给invarianceObj的Test(object obj)方法。目前为止，OK。

返回值：Invariance<string> invaricaceStr要求Test（string str）返回一个string对象。而实际执行方法的invarianceObj却只能保证返回一个object对象。NG!

看到了吧。这就是为什么.Net Framework要保持类型参数的同质性，而不允许T类型参数，哪怕从子类到父类或父类到子类的任何一种转换。

因为你只能保证参数或返回值，其中一项转换成功。

 

四、协变性(Covariance)

理解了为什么要坚持不变性，理解起协变性就容易多了。如果我能在泛型接口或者委托中保证，我的类型参数，只能外部取出，不允许外部传入。那么就不存在上面讲的将类型参数作为参数传入方法的情况了。

怎么保证？只需要在类型参数前加out关键字就可以了。

namespace Covariance
{
    public interface ITest<out T>
    {
        T Test();
    }
}

namespace Covariance
{
    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            ITest<object> obj = null;
            ITest<string> str = null;
            obj = str;

            IEnumerable<object> enuObj = null;
            IEnumerable<string> enuStr = null;
            enuObj = enuStr;
        }
    }
}

注：interface IEnumerable<out T>是微软提供的支持协变的泛型接口之一。

 

五、逆变性(Contravariance)

与逆变性类似，如果我能在泛型接口或者委托中保证，我的类型参数，只能作为参数从外部传入，不允许将其取出。那么就不存在将类型参数作为返回值返回的情况了。

同样，我们只需要在类型参数前加in关键字就可以了。

namespace Contravariance
{
    public interface ITest<in T>
    {
        void Test(T t);
    }
}

namespace Contravariance
{
    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            ITest<object> obj = null;
            ITest<string> str = null;
            str = obj;

            IComparable<object> comObj = null;
            IComparable<string> comStr = null;
            comStr = comObj;
        }
    }
}

注：interface IComparable<in T>是微软提供的支持逆变的泛型接口之一。

 

后记:常常只是在博客园看大神们的文章，自己总是不敢出声,第一次在这里写东西，有理解错误的地方，恳请批评指正(QQ:582043340)。