你了解C#的协变和逆变吗

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  • 从C# 4.0开始,泛型接口和泛型委托都支持协变和逆变,由于历史原因,数组也支持协变。
  • 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。

协变(out)

  • 协变:即自然的变化,遵循里氏替换原则,表现在代码上则是任何基类都可以被其子类赋值,如Animal = Dog、Animal = Cat
  • 使用out关键字声明(注意和方法中修饰参数的out含义不同)
  • 被标记的参数类型只能作为方法的返回值(包括只读属性)
  • 在没有协变时:
    abstract class Animal {}
    class Dog : Animal {}
    class Cat : Animal {}
    
    interface IPoppable<T>
    {
        T Pop();
    }
    class MyStack<T> : IPoppable<T>
    {
        private int _pos;
        private readonly T[] _data = new T[100];
    
        public void Push(T obj) => _data[_pos++] = obj;
        public T Pop() => _data[--_pos];
    }
    

    以下代码是无法通过编译的

    var dogs = new MyStack<Dog>();
    IPoppable<Animal> animals1 = dogs; // 此处会发生编译错误
    Stack<Animal> animals2 = dogs; // 此处会发生编译错误
    

    此时,我们如果需要为动物园饲养员新增一个输入参数为Stack<Animal>饲喂的方法,一个比较好的方法是新增一个约束泛型方法:

    class Zookeeper
    {
        public static void Feed<T>(IPoppable<T> animals) where T : Animal {}
    }
    // 或者
    class Zookeeper
    {
        public static void Feed<T>(Stack<T> animals) where T : Animal {}
    }
    
    // Main
    Zookeeper.Feed(dogs);
    
  • 现在,C#增加了协变
    使IPoppable<T>接口支持协变
    // 仅仅增加了一个 out 声明
    interface IPoppable<out T>
    {
        T Pop();
    }
    

    简化Feed方法

    class Zookeeper
    {
        public static void Feed(IPoppable<Animal> animals) {}
    }
    
    // Main
    Zookeeper.Feed(dogs);
    

    协变的天然特性——仅可作为方法返回值,接口(或委托)外部无法进行元素添加,确保了泛型类型安全性,所以不用担心Dog的集合中出现Cat

  • 常用的支持协变的接口和委托有:
    • IEnumerable
    • IEnumerator
    • IQueryable
    • IGrouping<out TKey, out TElement>
    • Func 等共17个
    • Converter<in TInput, out TOutput>
    IEnumerable<Dog> dogs = Enumerable.Empty<Dog>();
    IEnumerable<Animal> animals = dogs;
    
    var dogList = new List<Dog>();
    IEnumerable<Animal> animals = dogList;
    
  • 另外,由于历史原因,数组也支持协变,例如
    var dogs = new Dog[10];
    Animal[] animals = dogs;
    

    但是无法保证类型安全性,以下代码可正常进行编译,但是运行时会报错

    animals[0] = new Cat(); // 运行时会报错
    

逆变(in)

  • 逆变:即协变的逆向变化,实质上还是遵循里氏替换的原则,将子类赋值到基类上
  • 使用in关键字声明
  • 被标记的参数类型只能作为方法输入参数(包括只写属性)
  • 例如:
    abstract class Animal {}
    class Dog : Animal {}
    class Cat : Animal {}
    
    interface IPushable<in T>
    {
        void Push(T obj);
    }
    class MyStack<T> : IPushable<T>
    {
        private int _pos;
        private readonly T[] _data = new T[100];
    
        public void Push(T obj) => _data[_pos++] = obj;
        public T Pop() => _data[--_pos];
    }
    
    // Main
    var animals = new MyStack<Animal>();
    animals.Push(new Cat());
    IPushable<Dog> dogs = animals;
    dogs.Push(new Dog());
    

    逆变的天然特性——仅可作为方法输入参数,接口(或委托)无法进行元素获取,即只能将子类赋值到父类上,进而保证了类型安全性。

  • 另外,常用支持逆变的接口和委托有:
    • IComparer
    • IComparable
    • IEqualityComparer
    • Action 等共16个
    • Predicate
    • Comparison
    • Converter<in TInput, out TOutput>
Action<Animal> animalAction = new Action<Animal>(a => { });
Action<Dog> DogAction = animalAction;
90DIR-CMD