C# 协变（Covariance）和逆变（Contravariance）的完整解析

一、协变与逆变的核心概念

1. 定义与公式

• 协变（Covariance） ：允许将派生程度更高的类型（子类）隐式转换为派生程度较低的类型（父类）。
  公式 ：IFoo<父类> = IFoo<子类>

  示例：IEnumerable<Person> persons = new List<Student>();
  类比 ：子类对象可安全视为父类对象（如 Student → Person），符合直觉的"向上转型"。

• 逆变（Contravariance） ：允许将派生程度较低的类型（父类）隐式转换为派生程度更高的类型（子类）。
  公式 ：IBar<子类> = IBar<父类>

  示例：Action<Student> studentAction = (Action<Person>)p => { };
  类比 ：父类处理逻辑可安全用于子类对象（如 Person 处理器处理 Student），符合"更宽泛的输入"。

2. 设计目的

• 解决泛型类型转换限制 ：
  传统泛型（如 List<T>）不支持子类与父类集合的隐式转换（如 List<Person> persons = new List<Student>() 编译失败）。
  协变/逆变通过类型参数修饰符（out/in）扩展兼容性，增强代码灵活性。

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二、实现机制与关键字作用

1. 类型参数修饰符

• out 关键字（协变） ：

  • 约束泛型参数仅作为输出位置（返回值）。
  • 确保类型安全：子类返回值可安全视为父类。
    示例接口：

  public interface IEnumerable<out T> {
      IEnumerator<T> GetEnumerator(); // T 仅作为返回值
  }

• in 关键字（逆变） ：

  • 约束泛型参数仅作为输入位置（方法参数）。
  • 确保类型安全：父类参数可安全处理子类输入。
    示例接口：

  public interface IComparer<in T> {
      int Compare(T x, T y); // T 仅作为参数
  }

2. 底层安全原理

• 协变安全性 ：
  IEnumerable<out T> 仅支持读取（如 GetEnumerator），无法添加元素，避免向 List<Student> 插入 Person 导致类型错误。

• 逆变安全性 ：
  IComparer<in T> 仅消费输入（如 Compare），不返回 T，避免将 Person 强制转为 Student。

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三、支持协变/逆变的常见类型

1. 协变接口（out T）

接口	说明	示例应用场景
IEnumerable<T>	只读集合遍历	多态集合处理
IQueryable<T>	LINQ 查询数据源	跨层级数据查询
IReadOnlyList<T>	不可变列表	安全传递子类集合
Func<out TResult>	无参返回值委托	工厂方法委托

2. 逆变接口/委托（in T）

类型	说明	示例应用场景
IComparer<T>	对象比较器	父类比较器用于子类排序
Action<in T>	单参数无返回值委托	通用事件处理器
Predicate<in T>	条件判断委托	过滤不同子类对象
IEquatable<T>	对象相等性比较	跨层级对象比对

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四、典型应用场景与代码示例

1. 协变：集合多态处理

class Person {}
class Student : Person {}

// 协变允许子类集合视为父类集合
IEnumerable<Person> people = new List<Student>();
foreach (Person p in people) { /* 安全操作 */ }

意义：统一处理多种子类集合，无需强制转换。

2. 逆变：泛型委托兼容

// 逆变允许父类委托接受子类输入
Action<Person> logPerson = p => Console.WriteLine(p.Name);
Action<Student> logStudent = logPerson; // 逆变转换
logStudent(new Student()); // 安全执行

意义：复用父类逻辑处理子类，减少重复代码。

3. 混合变体：Func 委托

// Func<in T, out TResult> 支持参数逆变 + 返回值协变
Func<Student, string> getStudentName = s => s.Name;
Func<Person, object> getPersonInfo = getStudentName; // 安全转换

object info = getPersonInfo(new Student()); // 返回 string → object

意义：最大化委托灵活性，适配不同输入/输出类型。

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五、重要限制与注意事项

1. 仅支持引用类型 ：

   值类型（如 int）不支持协变/逆变，因值类型转换涉及装箱拆箱。

2. 修饰符约束：

   • out T 禁止作为方法参数（避免写入）。
   • in T 禁止作为返回值（避免读取）。
     违反将导致编译错误。

3. 不适用于普通类 ：

   仅泛型接口、委托、数组支持变体（如 List<T> 无修饰符，故不支持协变）。

4. 数组协变的风险：

   object[] arr = new string[10];
   arr[0] = 123; // 编译通过，运行时抛出 ArrayTypeMismatchException

   需谨慎操作避免类型错误。

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六、总结

• 协变 ：通过 out T 实现子类→父类转换，用于输出场景（如集合遍历、工厂委托）。
• 逆变 ：通过 in T 实现父类→子类转换，用于输入场景（如比较器、处理器委托）。
• 核心价值：在保证类型安全的前提下，增强泛型类型的兼容性，提升代码复用性与扩展性。

通过合理应用变体特性，可显著简化多态设计（如统一处理异构集合、构建灵活委托链），是高级泛型编程的核心工具之一。