协变（Covariance） 和 逆变（Contravariance）

协变（Covariance） 和 逆变（Contravariance） 是面向对象编程中关于类型系统的一种概念，主要用于处理泛型类型、接口或委托的继承和类型转换问题。它们决定了在继承结构中，泛型参数如何与类型或接口的继承关系保持一致或相反。

1. 协变（Covariance）

协变指的是，当你有一个泛型类型 G<T>，如果 TDerived 是 TBase 的子类，那么 G<TDerived> 可以被看作是 G<TBase> 的子类。这意味着协变允许你在一个方法、接口或委托中返回派生类型，而类型参数是更一般的基类。

C# 中协变的例子

在 C# 中，可以使用 out 关键字来声明协变，通常用于返回类型的泛型接口或委托。

// 声明接口 IProducer<out T> 支持协变
public interface IProducer<out T>
{
    T Produce();
}
 
public class Animal { }
public class Dog : Animal { }
 
public class DogProducer : IProducer<Dog>
{
    public Dog Produce() => new Dog();
}
 
public class Program
{
    public static void Main()
    {
        IProducer<Animal> animalProducer = new DogProducer();
        Animal animal = animalProducer.Produce();  // 协变允许泛型类型转换
    }
}

在上面的例子中：

• DogProducer 实现了 IProducer<Dog>，但可以赋值给 IProducer<Animal>，因为 Dog 是 Animal 的子类，协变允许这个类型转换。
• IProducer<T> 使用了 out，这表明它是协变的。

协变的场景

协变一般用于方法的返回类型，即子类实例可以作为基类的返回结果，主要用于只输出数据的场景，比如：

• 迭代器
• 泛型委托（如 Func<T>）

2. 逆变（Contravariance）

逆变是指当你有一个泛型类型 G<T>，如果 TDerived 是 TBase 的子类，那么 G<TBase> 可以被看作是 G<TDerived> 的子类。逆变允许使用基类来替代派生类。

C# 中逆变的例子

在 C# 中，可以使用 in 关键字来声明逆变，通常用于泛型参数作为方法参数输入的接口或委托。

// 声明接口 IConsumer<in T> 支持逆变
public interface IConsumer<in T>
{
    void Consume(T item);
}
 
public class Animal { }
public class Dog : Animal { }
 
public class AnimalConsumer : IConsumer<Animal>
{
    public void Consume(Animal animal)
    {
        Console.WriteLine("Consuming an animal.");
    }
}
 
public class Program
{
    public static void Main()
    {
        IConsumer<Dog> dogConsumer = new AnimalConsumer();
        dogConsumer.Consume(new Dog());  // 逆变允许泛型类型转换
    }
}

在上面的例子中：

• AnimalConsumer 实现了 IConsumer<Animal>，但可以赋值给 IConsumer<Dog>，因为 Animal 是 Dog 的基类，逆变允许这个类型转换。
• IConsumer<T> 使用了 in，这表明它是逆变的。

逆变的场景

逆变一般用于方法的参数类型，允许基类参数接受派生类对象，主要用于只输入数据的场景，比如：

• 事件处理器
• 泛型委托（如 Action<T>）

3. 协变与逆变的总结

• 协变（Covariance，使用 out）：用于返回类型允许子类替代基类。适用于只读场景（如返回值）。
• 逆变（Contravariance，使用 in）：用于参数类型允许基类替代子类。适用于只写场景（如方法参数）。

图解协变和逆变

• 协变：G<TDerived> 可以当作 G<TBase>

  • Dog 是 Animal 的子类，因此 IProducer<Dog> 可以赋值给 IProducer<Animal>。

• 逆变：G<TBase> 可以当作 G<TDerived>

  • Animal 是 Dog 的父类，因此 IConsumer<Animal> 可以赋值给 IConsumer<Dog>。

4. C++中的协变和逆变

C++ 本身没有像 C# 中那样直接支持协变和逆变的关键字，但在继承和指针/引用类型转换中，也有类似的概念。C++ 支持协变返回类型：派生类可以覆盖基类的函数，且返回派生类的对象，而不必返回基类对象。

class Base {
public:
    virtual Base* create() {
        return new Base();
    }
};
 
class Derived : public Base {
public:
    Derived* create() override {  // 协变返回类型
        return new Derived();
    }
};

在这个例子中，Derived 类覆盖了 Base 类的 create 方法，并且返回 Derived*，这是协变返回类型的一个例子。

• 协变 和 逆变 是用于泛型类型的继承转换的概念，协变用于输出类型，逆变用于输入类型。
• 在 C# 中，使用 out 和 in 关键字来分别实现协变和逆变。
• 在 C++ 中，虽然没有直接的关键字，但可以通过返回类型协变等机制实现类似的效果。