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C#4.0新特性:協(xié)變與逆變中的編程思想

現(xiàn)在我們接著來(lái)談?wù)凜#4.0中一個(gè)重要的新特性：協(xié)變（Covariance）與逆變（Contravariance）。對(duì)于協(xié)變與逆變，大家肯定不會(huì)感到陌生，但是我相信有很多人不能很清晰地說(shuō)出他們之間的區(qū)別。我希望通過(guò)這篇文章能夠讓讀者更加深刻的認(rèn)識(shí)協(xié)變與逆變。但是也不排除另一種可能，那就是讀者這篇文章你對(duì)這兩個(gè)概念更加模糊。文章一些內(nèi)容僅代表個(gè)人觀點(diǎn)，如有不妥，還望指正。

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一、兩個(gè)概念：強(qiáng)類(lèi)型與弱類(lèi)型

為了后面敘述方便，我現(xiàn)在這里自定義兩個(gè)概念：強(qiáng)類(lèi)型和弱類(lèi)型。在本篇文章中，強(qiáng)類(lèi)型和弱類(lèi)型指的是兩個(gè)具有直接或者間接繼承關(guān)系的兩個(gè)類(lèi)。如果一個(gè)類(lèi)是另一個(gè)類(lèi)的直接或者間接基類(lèi)，那么它為弱類(lèi)型，直接或者間接子類(lèi)為強(qiáng)類(lèi)型。后續(xù)的介紹中會(huì)用到的兩個(gè)類(lèi)Foo和Bar先定義在這里。Bar繼承自Foo。Foo是弱類(lèi)型，而B(niǎo)ar則是強(qiáng)類(lèi)型。

 
 
 
  
  
  public class Foo    
  
  
   {    
  
  
       //Others Members...    
  
  
   }    
  
  
   public class Bar:Foo    
  
  
   {    
  
  
       //Others Members...    
  
  
   }

有了強(qiáng)類(lèi)型和弱類(lèi)型的概念，我們就可以這樣的定義協(xié)變和逆變：如果類(lèi)型TBar是基于強(qiáng)類(lèi)型Bar的類(lèi)型（比如類(lèi)型參數(shù)為Bar的泛型類(lèi)型，或者是參數(shù)/返回值類(lèi)型為Bar的委托），而類(lèi)型TFoo是基于弱類(lèi)型Foo的類(lèi)型，協(xié)變就是將TBar類(lèi)型的實(shí)例賦值給TFoo類(lèi)型的變量，而逆變則是將TFoo類(lèi)型的實(shí)例賦值給TBar類(lèi)型的變量。

二、委托中的協(xié)變與逆變的使用

協(xié)變和逆變主要體現(xiàn)在兩個(gè)地方：接口和委托，先來(lái)看看在委托中如何使用協(xié)變和逆變?，F(xiàn)在我們定義了如下一個(gè)表示無(wú)參函數(shù)的泛型委托Function ，類(lèi)型參數(shù)為函數(shù)返回值的類(lèi)型。泛型參數(shù)之前添加了一個(gè)out關(guān)鍵字表示T是一個(gè)協(xié)變變體。那么在使用過(guò)程中，基于強(qiáng)類(lèi)型的委托Fucntion 實(shí)例就可以賦值給基于弱類(lèi)型的委托Fucntion 變量。

 
 
 
  
  
  public delegate T Function();    
  
  
   class Program    
  
  
   {    
  
  
       static void Main()    
  
  
      {    
  
  
          Function  funcBar =  new Function (GetInstance);      
  
  
          Function  funcFoo = funcBar;     
  
  
          Foo foo = funcFoo();    
  
  
      }   
  
  
       static Bar GetInstance()   
  
  
       {   
  
  
           return new Bar();   
  
  
       }   
  
  
   }

接下來(lái)介紹逆變委托的用法。下面定義了一個(gè)名稱(chēng)為Operate的泛型委托，接受一個(gè)具有泛型參數(shù)類(lèi)型的參數(shù)。在定義泛型參數(shù)前添加了in關(guān)鍵字，表示T是一個(gè)基于逆變的變體。由于使用了逆變，我們就可以將基于弱類(lèi)型的委托Operate 實(shí)例就可以賦值給基于強(qiáng)類(lèi)型的委托Operate 變量。

 
 
 
  
  
  public delegate void Operate(T instance);  
  
  
  class Program  
  
  
  {  
  
  
  static void Main()  
  
  
  {  
  
  
  Operate  opFoo =  new Operate (DoSth);    
  
  
  Operate  opBar = opFoo;    
  
  
  opBar(new Bar());  
  
  
  }  
  
  
  static void DoSth(Foo foo)  
  
  
  {  
  
  
  //Others...  
  
  
  }  
  
  
  }

三、接口中的協(xié)變與逆變的使用

接下來(lái)我們同樣通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明在接口中如何使用協(xié)變和逆變。下面定義了一個(gè)繼承自 IEnumerable 接口的IGroup 集合類(lèi)型，和上面一樣，泛型參數(shù)T之前的out關(guān)鍵字表明這是一個(gè)協(xié)變。既然是協(xié)變，我們就可以將一個(gè)基于強(qiáng)類(lèi)型的委托IGroup 實(shí)例就可以賦值給基于弱類(lèi)型的委托IGroup 變量。

 
 
 
  
  
  public interface IGroup : IEnumerable   
  
  
  { }  
  
  
  public class Group  : List , IGroup     
  
  
  { }  
  
  
  public delegate void Operate(T instance);  
  
  
  class Program  
  
  
  {  
  
  
  static void Main()  
  
  
  {  
  
  
  IGroup  groupOfBar =  new Group ();    
  
  
  IGroup  groupOfFoo = groupOfBar;    
  
  
  //Others...  
  
  
  } 
  
  
  }

下面是一個(gè)逆變接口的例子。首先定義了一個(gè)IPaintable的接口，里面定義了一個(gè)可讀寫(xiě)的Color屬性，便是實(shí)現(xiàn)該接口的類(lèi)型的對(duì)象具有自己的顏色，并可以改變顏色。類(lèi)型Car實(shí)現(xiàn)了該接口。接口IBrush 定義了一把刷子，泛型類(lèi)型需要實(shí)現(xiàn)IPaintable接口，in關(guān)鍵字表明這是一個(gè)逆變。方法Paint用于將指定的對(duì)象粉刷成相應(yīng)的顏色，表示被粉刷的對(duì)象的類(lèi)型為泛型參數(shù)類(lèi)型。Brush 實(shí)現(xiàn)了該接口。由于IBrush 定義成逆變，我們就可以將基于強(qiáng)類(lèi)型的委托IBrush 實(shí)例就可以賦值給基于弱類(lèi)型的委托IBrush 變量。

 
 
 
  
  
  public interface IPaintable  
  
  
  { 
  
  
  Color Color { get; set; }  
  
  
  } 
  
  
  public class Car : IPaintable  
  
  
  {  
  
  
  public Color Color { get; set; }  
  
  
  }  
  
  
  
  
  
  public interface IBrush where T : IPaintable  
  
  
  {  
  
  
  void Paint(T objectToPaint, Color color);  
  
  
  }  
  
  
  public class Brush  : IBrush  where T : IPaintable    
  
  
  {  
  
  
  public void Paint(T objectToPaint, Color color)  
  
  
  {  
  
  
  objectToPaint.Color = color;  
  
  
  }  
  
  
  }  
  
  
  
  
  
  class Program  
  
  
  {  
  
  
  static void Main()  
  
  
  {  
  
  
  IBrush  brush =  new Brush ();    
  
  
  IBrush  carBrush = brush;    
  
  
  Car car = new Car();  
  
  
  carBrush.Paint(car, Color.Red);  
  
  
  Console.WriteLine(car.Color.Name);  
  
  
  }  
  
  
  }

四、從Func 看協(xié)變與逆變的本質(zhì)

接下來(lái)我們來(lái)談?wù)剠f(xié)變和逆變的本質(zhì)區(qū)別是什么。在這里我們以我們非常熟悉的一個(gè)委托Func 作為例子，下面給出了該委托的定義。我們可以看到Func 定義的兩個(gè)泛型參數(shù)分別屬于逆變和協(xié)變。具體來(lái)說(shuō)輸入?yún)?shù)類(lèi)型為逆變，返回值類(lèi)型為協(xié)變。

 
 
 
  
  
  public delegate TResult Func(T arg);

再重申以下這句話(huà)“輸入?yún)?shù)類(lèi)型為逆變，返回值類(lèi)型為協(xié)變”。然后，你再想想為什么逆變用in關(guān)鍵字，而協(xié)變用out關(guān)鍵字。這兩個(gè)不是偶然，實(shí)際上我們可以將協(xié)變/逆變與輸出/輸入匹配起來(lái)。

我們?cè)購(gòu)牧硪粋€(gè)角度來(lái)理解協(xié)變與逆變。我們知道接口代表一種契約，當(dāng)一個(gè)類(lèi)型實(shí)現(xiàn)一個(gè)接口的時(shí)候就相當(dāng)于簽署了這份契約，所以必須是實(shí)現(xiàn)接口中所有的成員。實(shí)際上類(lèi)型繼承也屬于一種契約關(guān)系，基類(lèi)定義契約，子類(lèi)“簽署”該契約。對(duì)于類(lèi)型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，接口實(shí)現(xiàn)和類(lèi)型繼承本質(zhì)上是一致的。契約是弱類(lèi)型，簽署這份契約的是強(qiáng)類(lèi)型。

將契約的觀點(diǎn)應(yīng)用在委托上面，委托實(shí)際上定義了一個(gè)方法的簽名（參數(shù)列表和返回值），那么參數(shù)和返回值的類(lèi)型就是契約，現(xiàn)在的關(guān)鍵是誰(shuí)去履行這份契約。所有參數(shù)是外界傳入的，所以基于參數(shù)的契約履行者來(lái)源于外部，也就是被賦值變量的類(lèi)型，所以被賦值變量類(lèi)型是強(qiáng)類(lèi)型。而對(duì)于代理本身來(lái)說(shuō)，參數(shù)是一種輸入，也就是一種采用in關(guān)鍵字表示的逆變。

而對(duì)于委托的返回值，這是給外部服務(wù)的，是委托自身對(duì)外界的一種承諾，所以它自己是契約的履行著，因此它自己應(yīng)該是強(qiáng)類(lèi)型。相應(yīng)地，對(duì)于代理本身來(lái)說(shuō)，返回值是一種輸出，也就是一種采用out關(guān)鍵字定義的協(xié)變。

也正式因?yàn)檫@個(gè)原因，對(duì)于一個(gè)委托，你不能將參數(shù)類(lèi)型定義成成協(xié)變，也不能將返回類(lèi)型定義成逆變。下面兩中變體定義方式都是不能通過(guò)編譯的。

 
 
 
  
  
  delegate TResult Fucntion(T arg);  
  
  
  delegate TResult Fucntion in  TResult>(T arg);

說(shuō)到這里，我想有人要問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，既然輸入表示逆變，輸出表示協(xié)變，委托的輸出參數(shù)應(yīng)該定義成協(xié)變了？非也，實(shí)際上輸出參數(shù)在這里既輸出輸出，也輸出輸入（畢竟調(diào)用的時(shí)候需要指定一個(gè)對(duì)應(yīng)類(lèi)型的對(duì)象）。也正是為此，輸出參數(shù)的類(lèi)型及不能定義成協(xié)變，也不能定義成逆變。所以下面兩種變體的定義也是不能通過(guò)編譯的。

 
 
 
  
  
  delegate void Action(out T arg);  
  
  
  delegate void Action(out T arg);

雖然這里指介紹了關(guān)于委托的協(xié)變與逆變，上面提到的契約和輸入/輸出的關(guān)系也同樣適用于基于接口的協(xié)變與逆變。你自己可以采用這樣的方式去分析上面一部分我們定義的IGroup 和IBrush 。

五、逆變實(shí)現(xiàn)了“算法”的重用

實(shí)際上關(guān)系協(xié)變和逆變體現(xiàn)出來(lái)的編程思想，還有一種我比較推崇的說(shuō)法，那就是：協(xié)變是繼承的體現(xiàn)，而逆變體現(xiàn)的則是多態(tài)。實(shí)際上這與上面分析的契約關(guān)系本質(zhì)上是一致的。

關(guān)于逆變，在這里請(qǐng)容我再啰嗦一句：逆變背后蘊(yùn)藏的編程思想體現(xiàn)出了對(duì)算法的重用——我們?yōu)榛?lèi)定義了一套操作，可以自動(dòng)應(yīng)用于所有子類(lèi)的對(duì)象。

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