C#中的协变（Covariance）引起的面向对象设计问题一则

协变（Covariance）与逆变（Contravariance）是Visual C# 4.0中引入的一个语言特性，目的是为了强化在泛型类型上继承关系的语义的合理性。举个非常简单的例子：爬行动物和哺乳动物都继承于动物，然后你不能将爬行动物的行为赋予动物类型，因为这种动物类型有可能是哺乳动物，它不具备爬行动物的行为能力。 虽然早在C# 4.0中就已经引入了对于协变与逆变的语言特性强化，并且我们在代码中多多少少获益于这种语法特征，但是平时我们很少关注过这个问题，甚至也没有仔细研究过，即使研究过，也很容易把自己绕进去。直到前两天，在项目中遇到了一个类型层次设计问题，这才使我不得不重温C# 4.0的“新特性”。 为了描述简单，我把我们项目中的代码用下面的类型层次替换：

class Animal
{
}

class Mammal : Animal
{
}

class Behavior<TAnimal>
    where TAnimal : Animal
{
}

class MammalBehavior<TMammal> : Behavior<TMammal>
    where TMammal : Mammal
{
}

class BehaviorService<TAnimal, TBehavior>
    where TAnimal : Animal
    where TBehavior : Behavior<Animal>
{
}

class MammalBehaviorService<TMammal, TMammalBehavior> : BehaviorService<TMammal, TMammalBehavior>
    where TMammal : Mammal
    where TMammalBehavior : MammalBehavior<TMammal>
{
}

然而，这段代码是编译不过的，Visual Studio在MammalBehaviorService<TMammal, TMammalBehavior>类上指出了编译错误： 对于这个类，它继承于BehaviorService<TMammal, TMammalBehavior>，第一个泛型类型参数被约束到Mammal类型，而BehaviorService<TMammal, TMammalBehavior>抽象类的第一个泛型类型约束是TAnimal，它是Animal类型，由于Mammal是Animal的子类，所以这个部分是没有问题的。问题在于第二个泛型类型参数TMammalBehavior，这里它被约束为MammalBehavior<TMammal>及其子类，而对于BehaviorService<TMammal, TMammalBehavior>抽象类而言，它的第二个泛型类型约束是Behavior<Animal>及其子类，由于MammalBehavior本身是Behavior的子类，而TMammal本身是Mammal及其子类，那么它当然也是Animal的子类，那么为什么TMammalBehavior这一泛型类型约束不能被转换到Behavior<Animal>类型呢？ 于是，分析这个问题的思路就是简化代码，这个问题相当于就是：为什么下面的代码会编译出错： 其实这里的问题并不在于MammalBehavior和Behavior之间的继承关系，而在于两个泛型类型的泛型参数的类型不一致，即使它们存在继承关系。换句话说，下面的代码也是编译不过的： 初看感觉由于Mammal继承于Animal，这个编译理应通过，但其实并不是。为了分析其中的原因，我们在Behavior<TAnimal>中加入一个方法：

class Behavior<TAnimal>
    where TAnimal : Animal
{
    private TAnimal _animal;

    public void Execute(TAnimal animal)
    {
        _animal = animal;
    }
}

于是，问题显现出来了，MammalBehavior<TMammal>类型的泛型类型约束是Mammal类及其子类，也就意味着，MammalBehavior<TMammal>中的那个TAnimal成员变量其实是Mammal类及其子类，而如果上面的代码能够编译通过，那么在调用animalBehavior.Execute方法时，调用方完全可以传入一个Animal类及其子类的实例（例如Reptile（爬行动物）类），因为Behavior<Animal>类的TAnimal泛型类型就是Animal类及其子类。于是就回到了本文最开始举的例子：Mammal是Animal的子类，但是Animal的子类不仅仅有Mammal，Reptile也可以是Animal的子类，于是，animalBehavior.Execute方法在调用时，实际上是调用mb.Execute方法，而mb中的TAnimal被约束到Mammal及其子类上，那么将Reptile的实例传给animalBehavior.Execute方法就不合理了：Mammal和Reptile并没有继承关系。 但是，如果我把类的签名和方法改一下：

class Behavior<TAnimal>
    where TAnimal : Animal, new()
{
    public TAnimal CreateAnimal()
    {
        return new();
    }
}

那么理论上来说，上面的代码是可以编译通过的：将MammalBehavior<Mammal>类的实例赋给Behavior<Animal>类，那么在调用CreateAnimal方法的时候，它会返回Mammal实例，而Mammal正是Animal的子类，因此是完全没有问题的。 然而，C#没有在类的层面实现协变（以及逆变），而是在接口的层面（以及在委托层面，暂且不讨论），这是因为，C#没有不变类（immutable class）的设计，C#中的类的成员变量都是可以被赋值的，它并不要求其成员在构造函数执行时就确定其实例，因此，协变与逆变无法在C#的类层面实现。 于是，要改上面的设计，就需要引入支持协变的接口，从接口层面规定类的泛型类型是协变的：

interface IBehavior<out TAnimal>
    where TAnimal : Animal
{
}

然后让Behavior<TAnimal>类实现这个接口：

class Behavior<TAnimal> : IBehavior<TAnimal>
    where TAnimal : Animal
{
}

然后修改BehaviorService<TAnimal, TBehavior>类的定义，将TBehavior泛型类型约束从Behavior<Animal>改为IBehavior<Animal>，此时编译就自然成功了：

class BehaviorService<TAnimal, TBehavior>
    where TAnimal : Animal
    where TBehavior : IBehavior<Animal>
{
}

完整代码如下：

class Animal
{
}

class Mammal : Animal
{
}

interface IBehavior<out TAnimal>
    where TAnimal : Animal
{
}

class Behavior<TAnimal> : IBehavior<TAnimal>
    where TAnimal : Animal
{
}

class MammalBehavior<TMammal> : Behavior<TMammal>
    where TMammal : Mammal
{
}

class BehaviorService<TAnimal, TBehavior>
    where TAnimal : Animal
    where TBehavior : IBehavior<Animal>
{
}

class MammalBehaviorService<TMammal, TMammalBehavior> : BehaviorService<TMammal, TMammalBehavior>
    where TMammal : Mammal
    where TMammalBehavior : MammalBehavior<TMammal>
{
}

同理，下面的代码也能编译通过了： 这是因为，接口IBehavior<TAnimal>的泛型类型约束是协变的，它确保接口中所有使用到TAnimal类型的地方都是用作返回值，而不是函数的参数（也就是没有提供修改TAnimal实例的机会），从而确保类型的继承体系上不会出现问题。