一文帶你了解C#中的協(xié)變與逆變
協(xié)變
協(xié)變概念令人費(fèi)解,多半是取名或者翻譯的鍋,其實(shí)是很容易理解的。
比如大街上有一只狗,我說(shuō)大家快看,這有一只動(dòng)物!這個(gè)非常自然,雖然動(dòng)物并不嚴(yán)格等于狗,但不會(huì)有人覺(jué)得我說(shuō)的不對(duì),把狗變成動(dòng)物就是協(xié)變,C#也支持這個(gè):
// C#6頂級(jí)語(yǔ)句 Dog dog= new Dog(); Animal animal= dog; interface Animal {} class Dog : Animal {}
那么接下來(lái),大街上有一群狗,我說(shuō)有一群動(dòng)物,按理說(shuō)也是對(duì)的,但看樣子C#不這么認(rèn)為
List<Dog> dogLst = new List<Dog>(); List<Animal> aniLst = dogLst; //飆紅飆紅飆紅了 interface Animal {} class Dog : Animal {}
原因其實(shí)很容易理解,畢竟在上述的代碼中,寫(xiě)了Dog:Animal,即聲明了狗是動(dòng)物的子類(lèi),但是并沒(méi)有寫(xiě)List<Animal> : List<Dog>,換言之,從來(lái)沒(méi)有聲明過(guò)一群狗是一群動(dòng)物的子類(lèi)。
但是,如果不用List,而用其父類(lèi)IEnumerable,寫(xiě)成下面這樣,就又不報(bào)錯(cuò)了。
List<Dog> dogLst = new List<Dog>(); IEnumerable<Animal> aniLst = dogLst;
換言之,C#承認(rèn)List<Dog>是IEnumerable<Animal>的子類(lèi),個(gè)中差別,只需一覽源碼,就會(huì)知曉:
public interface IEnumerable<out T> : IEnumerable public class List<T> : ..., IEnumerable<T>, ...
IEnumerable無(wú)非比List多了一個(gè)out參數(shù),有了這個(gè)參數(shù),就擁有了協(xié)變的功能,從而當(dāng)U是T的子類(lèi)時(shí),可以支持IEnumerable<U>到IEnumerable<T>的轉(zhuǎn)換。
在官方文檔中,指明了具有out關(guān)鍵字的泛型接口包括IEnumerable<T>, IEnumerator<T>, IQueryable<T>和IGrouping<TKey,TElement>。
協(xié)變接口的實(shí)現(xiàn)
協(xié)變和逆變目前只能在泛型接口和委托中使用,下面新建一個(gè)泛型接口,并使用關(guān)鍵字out。由于使用.Net6.0的頂級(jí)語(yǔ)句,所以接口和類(lèi)的聲明放在后面。
IOut<string> outStr = new Out(); IOut<object> outObj = outStr; Console.WriteLine(outObj.getName()); interface IOut<out T> { T getName(); } class Out : IOut<string> { public string getName() { return GetType().Name; } }
編譯運(yùn)行,最后輸出Out,即outObj盡管在聲明的時(shí)候用的是IOut<object>,但在IOut的out修飾符的作用下,成功讓IOut<object>變成了IOut<string>的父類(lèi),得以順利調(diào)用Out中的方法。
那么接下來(lái),如果想讓getName更加完備一些,例如要求實(shí)現(xiàn)getName(T name)這樣的功能,那么經(jīng)out修飾的協(xié)變接口就無(wú)能為力了,像下面這樣的寫(xiě)法果然被無(wú)情地飆紅了
interface IOut<out T> { void getName(T name); }
逆變
VS作為宇宙頂級(jí)IDE,協(xié)變逆變十分拎得清,上述代碼在飆紅的同時(shí),直接給出如下錯(cuò)誤
變型無(wú)效: 類(lèi)型參數(shù)“T”必須是在“IOut.getName(T)”上有效的 逆變式。“T”為 協(xié)變。
換言之,如果想讓泛型接口可以輸入泛型參數(shù),那么需要用到逆變,具體寫(xiě)法如下,其中修飾符in表示逆變
IIn<object> inObj = new In(); IIn<string> inStr = inObj; inStr.getName("in"); interface IIn<in T> { void getName(T name); } class In : IIn<object> { public void getName(object name) { Console.WriteLine(name); } }
逆變和協(xié)變最大的不同,并非in和out這兩個(gè)修飾符的字?jǐn)?shù),而是整個(gè)替換邏輯發(fā)生了變化,上述代碼中,實(shí)際上是作為子類(lèi)的string調(diào)用了通過(guò)父類(lèi)object作為參數(shù)定義的函數(shù)。
里氏替換原則
在具體實(shí)現(xiàn)了協(xié)變與逆變之后,總覺(jué)得那里怪怪的,最怪的其實(shí)還是下面這行代碼的錯(cuò)誤
//錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò) interface IOut<out T> { void getName(T name); }
而且可以想象,與之相對(duì)應(yīng)的下面的逆變代碼也是不對(duì)的
//錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò) interface IOut<in T> { T getName(); }
接下來(lái)復(fù)盤(pán)一下產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因,為了破除命名帶來(lái)的困擾,接下來(lái)考慮泛型接口I<T>,其中有一個(gè)函數(shù)T test(T t)?,F(xiàn)有兩個(gè)特定的繼承自泛型接口I<A>和I<B>的類(lèi),假設(shè)I<A>要調(diào)用I<B>中的方法,那么其流程如下
1.A I<A>.test(A t),即輸入一個(gè)A類(lèi)型的參數(shù)
2.將這個(gè)A類(lèi)型的參數(shù)t,傳入到B I<B>.test(B t)。由于I<B>要求輸入B類(lèi)型的參數(shù),所以要求A可以轉(zhuǎn)換為B類(lèi)型。
3.B I<B>.test(B t)計(jì)算完畢,返回一個(gè)B類(lèi)型的參數(shù)
4.這個(gè)B類(lèi)型的參數(shù)又被返回給最初的調(diào)用者A I<A>.test,而這時(shí)I<A>的函數(shù)最終將返回一個(gè)A類(lèi)型的參數(shù),換言之,在這個(gè)步驟,要求B可以轉(zhuǎn)換為A。
A能轉(zhuǎn)為B,然后還得B能轉(zhuǎn)為A,同時(shí)A和B還不相等,這顯然是不可能的。
所以逆變和協(xié)變分別實(shí)現(xiàn)了第2步和第4步。
如果I<A>想要調(diào)用I<B>test(B t)中的函數(shù),那么A類(lèi)型必須可以轉(zhuǎn)成B類(lèi)型。正如string可以轉(zhuǎn)為object一樣,此即逆變,用in修飾,其作用場(chǎng)合為子類(lèi)調(diào)用父類(lèi)中的方法。
如果I<A>想要調(diào)用B I<B>test(),那么作為返回值的B類(lèi)型必須可以轉(zhuǎn)化為A類(lèi)型,此即協(xié)變,用out修飾,正是父類(lèi)調(diào)用子類(lèi)的方法。
協(xié)變和逆變的統(tǒng)一之處在于,二者都嚴(yán)格遵循這子類(lèi)可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦割?lèi)的規(guī)則,此即里氏替換。這是1987年,芭芭拉·利斯科夫提出的,她也是2008年圖靈獎(jiǎng)得主。
在協(xié)變逆變的過(guò)程中,對(duì)里氏替換的遵循主要表現(xiàn)在當(dāng)子類(lèi)方法重載父類(lèi)方法時(shí)
- 方法的輸入?yún)?shù)要更加寬松,此即逆變(IOut<object>調(diào)用IOut<string>,object比string更寬松)
- 方法的返回值要更加嚴(yán)格,此即協(xié)變(IOut<string>調(diào)用IOut<object>,string比object更嚴(yán)格)
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