关于TS类型系统中的协变与逆变

在 TypeScript 类型系统中，类型兼容性是核心支柱，而协变、逆变、双变和不变则是描述类型转换规则的四大概念。它们决定了不同类型的集合（如数组、函数、泛型）之间如何安全地兼容，直接影响代码的类型安全性。但是之前一直很难理解协变与逆变，所以写本文记录一下。

一、类型兼容性

首先明确子类型 与父类型 的判定

子类型

TypeScript 中，子类型的核心判定依据是"赋值兼容性" ：若类型 B 的所有可能值都能安全地赋值给类型 A 的变量，则 B 是 A 的子类型（记为 B extends A）。通俗说，子类型的范围是父类型范围的"子集" 。

不同类型的子类型关系示例：

对象类型 ：结构兼容即子类型
若 B 包含 A 所有属性且类型匹配，则 B 是 A 的子类型（B 的范围是 A 的子集）。

ts 复制代码

type Animal = { name: string }; // 父类型：所有含 name 的对象
type Dog = { name: string; bark: () => void }; // 子类型：范围更小（仅含 bark 的 Animal）
const dog: Dog = { name: "旺财", bark: () => {} };
const animal: Animal = dog; // 合法：Dog 是 Animal 的子集

联合类型 ：范围收窄即子类型
若 B 的所有成员都属于 A 的成员，则 B 是 A 的子类型（B 范围更小）。

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type NumOrStr = number | string; // 父类型：范围 {number, string}
type OnlyNum = number; // 子类型：范围 {number}（NumOrStr 的子集）
const num: OnlyNum = 123;
const numOrStr: NumOrStr = num; // 合法：number 是 number|string 的子集

基础类型 ：字面量是基础类型的子类型
字面量类型的范围是基础类型的子集（如 123 是 number 的子集）。

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type Age = number;
type SpecificAge = 18; // 子类型：范围仅 {18}
const age: Age = 18;
const specificAge: SpecificAge = 18;
const age2: Age = specificAge; // 合法：18 是 number 的子集

协变与逆变这两个术语源于数学中的范畴论（Category Theory） ，后来被计算机科学引入类型系统领域。物理学中也有类似的，简单来说就是"一个量随另一个量的变化，如果一致就是协变，否则就是逆变"(不太严谨)，在类型系统中就是某个类型集合兼容性随某些类型变化是怎么样的？比如数组类型随其元素类型变化后的类型兼容性如何变化？函数类型随其参数类型或返回值类型变化后的类型兼容性如何？

二、协变：子类型关系的"正向传递"

协变指：当 B 是 A 的子类型时，B 的"容器类型"也是 A 的"容器类型"的子类型（即 F extends F<A>）。简单说，容器的子类型关系与原类型"同向" 。

典型场景：

数组的协变
若 B extends A，则 B[] extends A[]（子类型数组是父类型数组的子类型）。

ts 复制代码

const dogs: Dog[] = [dog];
const animals: Animal[] = dogs; // 合法：Dog[] 是 Animal[] 的子类型（协变）

- 安全性：从 animals 读取元素时，总能获得 Animal 所需的 name 属性（安全）。
- 隐患：向 animals 写入非 Dog 类型（如 { name: "猫" }）会破坏 dogs 的类型一致性（TS 未禁止，历史遗留问题）。

函数返回值的协变
若函数返回 B（子类型），则该函数是返回 A（父类型）的函数的子类型。

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const getDog = (): Dog => ({ name: "旺财", bark: () => {} });
type GetAnimal = () => Animal;
const getAnimal: GetAnimal = getDog; // 合法：返回 Dog 的函数是返回 Animal 的函数的子类型

- 安全性：调用 getAnimal 时，返回值至少包含 Animal 所需的 name（安全）。

三、逆变：子类型关系的"反向传递"

逆变指：当 B 是 A 的子类型时，A 的"函数类型"是 B 的"函数类型"的子类型（即 (a: A) => void extends (b: B) => void）。简单说，函数参数的子类型关系与原类型"反向" 。

典型场景：函数参数的逆变

ts 复制代码

// 接收父类型 Animal 的函数（仅依赖 name）
const feedAnimal = (animal: Animal) => console.log(`喂 ${animal.name}`);
// 接收子类型 Dog 的函数类型
type FeedDog = (dog: Dog) => void;

// 逆变：feedAnimal 可赋值给 FeedDog
const feedDog: FeedDog = feedAnimal; // 合法

安全性：feedDog 接收 Dog 类型参数，而 feedAnimal 仅需 name 属性，Dog 必然包含（安全）。
反例：若允许接收 Dog 的函数赋值给接收 Animal 的函数，会因参数"能力不足"报错：

ts 复制代码

const badFeedDog = (dog: Dog) => dog.bark(); // 依赖 Dog 的 bark 方法
const badFeedAnimal: (a: Animal) => void = badFeedDog; // ❌ TS 报错（不安全）

四、双变：子类型关系的"双向兼容"

双变指：当 B 是 A 的子类型时，F<A> 与 F 互相兼容（既可以 F extends F<A>，也可以 F<A> extends F）。这种"双向宽松"的兼容性可能破坏类型安全，TypeScript 中仅在特定场景下存在。

典型场景：方法参数的双变（历史遗留）

早期 TypeScript 中，对象方法的参数是双变的（函数参数是逆变，但方法参数例外）：

ts 复制代码

interface Handler {
  handle: (a: Animal) => void;
}
interface DogHandler {
  handle: (d: Dog) => void;
}

// 双变：Handler 与 DogHandler 互相兼容（TS 2.6 前默认行为）
const handler: Handler = { handle: (a) => {} };
const dogHandler: DogHandler = handler; // 合法（类似逆变）
const handler2: Handler = dogHandler; // 合法（类似协变，实际不安全）

风险：handler2.handle 可能接收非 Dog 类型（如猫），但 dogHandler.handle 可能依赖 bark 方法，导致错误。
现状：通过 strictFunctionTypes: true（严格模式）可禁用双变，使方法参数遵循逆变（推荐开启）。

五、不变：子类型关系的"完全一致"

不变指：仅当 A 与 B 完全相同时，F<A> 与 F 才兼容（既不协变也不逆变）。这是最严格的兼容性规则，避免协变/逆变可能的安全隐患。

典型场景：普通泛型的不变

ts 复制代码

// 泛型容器（默认不变）
type Box<T> = { value: T };

type AnimalBox = Box<Animal>;
type DogBox = Box<Dog>;

const dogBox: DogBox = { value: dog };
const animalBox: AnimalBox = dogBox; // ❌ 错误：Box<Dog> 与 Box<Animal> 互不兼容

原因：若允许 DogBox 赋值给 AnimalBox，可能向 animalBox 写入非 Dog 类型（如猫），破坏 dogBox.value 的类型一致性。

六、实际中的一些场景

1. 事件处理（依赖逆变保证安全）

ts 复制代码

type Event = { type: string };
type MouseEvent = Event & { x: number; y: number };

// 处理通用事件的函数（可用于鼠标事件回调）
const logEvent = (e: Event) => console.log(e.type);
const handleClick: (e: MouseEvent) => void = logEvent; // 合法（逆变）

2. 状态管理（泛型不变避免类型污染）

ts 复制代码

// 状态容器（不变泛型，确保状态类型严格一致）
type StateContainer<T> = {
  state: T;
  setState: (newState: T) => void;
};

type UserState = { name: string };
type AdminState = { name: string; role: string };

// 错误：AdminState 是 UserState 的子类型，但容器不变
const userContainer: StateContainer<UserState> = {
  state: { name: "用户" },
  setState: (s) => {},
};
const adminContainer: StateContainer<AdminState> = userContainer; // ❌ 错误

3. 开启严格模式（禁用双变，增强安全性）

在 tsconfig.json 中开启 strictFunctionTypes: true，强制方法参数遵循逆变：

ts 复制代码

{
  "compilerOptions": {
    "strictFunctionTypes": true
  }
}

七、对比

概念	子类型关系（`B extends A` 时）	典型场景	安全性
协变	`F<B> extends F<A>`	数组、函数返回值	读取安全，写入需谨慎
逆变	`F<A> extends F<B>`	函数参数	输入安全
双变	`F<A> extends F<B>` 且 `F<B> extends F<A>`	方法参数（非严格模式）	安全性低，可能隐患
不变	仅 `F<A> extends F<B>` 当且仅当 `A = B`	普通泛型容器	最安全，限制严格

函数类型的兼容性，随参数类型变化而逆变的方式来判定，而返回值类型使用协变的方式确定；而数组类型兼容性与元素类型是协变