.NET可變性解析(協變和逆變)

【一】何為可變性

可變性是.NET4.0中的一個新特性,可變性可分為 : 協變性、逆變性、不可變性.

那么在.NET4.0之前是否有可變性? 答案是肯定的,我們可以通過下面的幾個實例來簡單的了解一下.NET4.0之前的協變和逆變.

實例 1 : 方法參數的協變

static void Main(string[] args)
{
    GetProject(new Course()); // Course 繼承自 Project  此處進行了協變
}
static void GetProject(Project course)
{
    Console.WriteLine(course.Name);
}

實例 2 ： 數組協變以及執行時類型檢查

Course[] course = new Course[4];
Project[] project = course;
project[0] = new Excercise();

在上述代碼中會拋出異常 "system.ArrayTypeMismatchException"，因為從course轉換為project會返回原始引用，所以course和project都是引用的同一個數組，對于數組而言，它是一個course數組，所以會拒絕存儲對于非course類型的引用。數組的協變會導致類型安全性在執行時才能體現，而不能在編譯時體現 

可變性種類分類定義：

 協變 ： 說明泛型類型參數可以從一個派生類更改為它的基類，在C#中，是用out關鍵字標記協變量形式的泛型類型參數，協變量泛型類型參數只能出現在輸出位置，比如作為方法的返回類型

 逆變 ： 說明泛型類型參數可以從一個基類更改為它的派生類，在C#中，是用in關鍵字標記逆變形式的泛型類型參數，逆變量泛型類型參數只能出現在輸入位置，比如作為方法的參數。

 不可變 ：按引用類型傳遞變量，可以看成是ref參數，表示傳入的類型必須與參數本身的類型完全一致，傳入方法內部的值，將同樣以相同的類型輸出。

可變性是以一種類型安全的方式,將一個對象作為另一個對象來使用,在我們面向對象編程中,繼承這一特性就很好的體現了對象的可變性.

任何使用了協變和逆變的轉換都是引用轉換，這意味著轉換之后將返回相同的引用，它不會創建新的對象，只是認為現有引用與目標類型匹配，這與某個層次中，引用類型之間的轉換是相同的。

在.NET4.0之前，泛型是不能夠進行協變和逆變的,也就是說泛型的協變和逆變是C#4.0的一個新特性,泛型的協變和逆變也是為了保持類型的絕對安全性.

在泛型接口或者委托的聲明中,.NET4.0能夠使用out修飾符來指定類型參數的協變性,使用in修飾符來指定逆變性,聲明完成之后,就可以對相關的類型進行隱式轉換了,在接口和委托中,它們的工作方式是完全相同的.

二】泛型接口可變性

我們使用的兩個接口 ： IEnumberable<T> (T 是協變的)，原型為：IEnumberable<out T>  和 IComparer<T>(T 是逆變的),原型為 : IComparer<in T>,再次記憶提示 : 如果類型參數只用于輸出,就使用out,如果只用于輸入,就用in.

更多的泛型協變接口 : IEnumerable<T>、IEnumerator<T>、IQueryable<T> 和 IGrouping<TKey, TElement>

泛型逆變接口 : IComparer<T>、IComparable<T> 和 IEqualityComparer<T>

下面我們通過實例來演示一下接口的泛型可變性

實例 3 : 查看泛型接口集合IEnumberable<out T> 進行 協變

class Project
{
    public static void GetCourseByProjects(IEnumerable<Project> projects)
    {
        foreach (var p in projects)
        {
            Console.WriteLine(p);
        }
    }
    public string Name { get; set; }
}
class Course : Project
{
    public static void GetCourse()
    {
        List<Course> courseList = new List<Course>();
        Project.GetCourseByProjects(courseList);
        IEnumerable<Project> pList = courseList;
    }
}

在上述代碼中，我們定義了兩個類，分別為 ： project和course，其中course繼承自project，在project中有一個方法GetCourseByProject,這個方法有一個形參類型為 IEnumberable<Project>,(注意 ： project是course的基類，IEnumberable是可以進行協變的，那么此處的實參我們可以傳遞任何繼承自Project的類)，在course中有一個方法GetCourse，這個方法用于通過course獲取到這個course 所有的project，project.GetCourseByProject(courseList);// 此處發生了協變，原本我們的GetCourseByProject的參數類型為IEnumberable<project>,在這里我們傳遞的是它的派生類List<Course>.同理在IEnbumerbale<project> pList = courseList 也發生了協變.

實例 4 ： 定義泛型接口查看逆變

static void Main(string[] args)
{
    IBase<Course> getCourse = new Derived<Project>();
}
public class Derived<T> : IBase<T>
{
        
    public string Name { get; set; }

    public void GetProject(T t)
    {
        Console.WriteLine("獲取到項目");
    }
}
public interface IBase<in T> 
{
    void GetProject(T t);
}
class Course : Project
{
    public static void GetCourse()
    {

    }
}

在上述代碼中,我們定義一個泛型接口 IBase<in T>, 參數類型為" in T " 說明它是可以逆變的，同時呢，Derived<T>這個泛型類繼承自IBase<T>,那么我們在實現的時候就可以這樣來做。

IBase<Course> courseList = new Derived<Project>(); 在我們調用的這行代碼中，將Project轉換為了他的下級類Course，所以發生了逆變。

【三】泛型委托可變性

在我們看了,泛型接口的協變和逆變之后,對于泛型委托的可變性其實性質是一樣的.我們可以通過下面兩個實例來演示一下 :

實例 5 : 委托協變

public delegate Project GetProject();

static Course GetCourse()
{
    return new Course();
}
GetProject projects = GetCourse;

在上述的代碼中,我們首先定義了一個委托類型,getproject, 在GetProject projects = GetCourse,GetCourse是一個返回值為Course對象的一個函數, 此處發生了協變,Course類型轉換為了Project類型,子類轉換為父類.

實例 6 : 泛型委托協變

public delegate T Find<out T>();
static void Main(string[] args)
{
    Find<Course> getCourse = () => new Course(); // lambda 
    Find<Project> getProject = getCourse; // 發生了協變
}

在上述的代碼中,我們定義了一個泛型委托,Find<out T>,這里指定out說明它可以進行協變,然后在Main函數中, 首先我們通過Lambda表達式聲明了一個返回值為Course的方法,然后在將getCourse賦值給getProject,這里發生了協變.

實例 7 ： 委托中的逆變

public delegate void FindCourse(Course course);
static void GetProject(Project pro)
{
    Console.WriteLine(pro.Name);
}
FindCourse getCourse = GetProject;

在上述的代碼中,首先我們聲明了一個帶參數的委托FindCourse,參數類型為 Course , 然后注意在第六行代碼中, 我們將 GetProject這個方法賦值給了 委托FindCourse,同時,GetProject這個方法的參數類型為 Project,Project為Course 的基類,所以在第六行代碼中它發生了逆變.

實例 8 : 泛型委托中的逆變

 public delegate void Find<in T>(T t);
 Find<Project> getProject = p => Console.Write("查看一個項目");
 Find<Course> getCourse = getProject;

相信通過了前面的幾個實例,這個例子也就不難看懂了,在上述的代碼中,我們首先聲明了一個泛型委托,并且泛型中有一個in說明是可以進行逆變,然后在第二行代碼中,我們還是通過lambda表達式,創建一個參數類型為Project的函數,注意第三行代碼, 第三行代碼中將GetProject方法賦值給了getCourse,此處發生了逆變.

【四】.NET中可變性的好處

1 、更好的代碼復用性.

通過剛才的幾個實例,我們可以知道,如果在Project下還有Excerise,Test等派生類的話, 利用協變和逆變性,我們就可以直接 Project.GetCourseByProjects(ExceriseList); (協變了) . IBase<ExceriseList> exceriseList = new Dervied<Project>();(逆變了)。所以我們就不需要在去繁多的創建多余的實例對象來調用Project和使用ExceriseList

2、更好的保持了泛型的類型安全性

首先,協變和逆變是通過out,in來指定的,編譯器是不知道那種形式是協變那種形式是逆變的,通過out(輸出參數)和in(輸入參數),來指定參數的輸入輸出類型這一形式,很好的保持了泛型的類型安全性.

PS  : ref 也是一種,用來指定不變性,指定要求傳入什么類型的就是什么類型,在一般我們開發過程中,通過都是通過這樣的形式來傳參的,比如:

實例 9 ： ref雙向傳值,要求實參類型必須與形參類型完全一致

Project p = new Project();
GetProject( ref p);
public static void GetProject(ref Project project)
{
    Console.WriteLine(project.Name);
}

調用方法所傳入的類型必須要與方法要求的參數類型完全一致

【五】總結

平日里我們覺得一些比較難的技術點,當我們花費一些時間去學習,去總結,去思考一下.會發現其實并不是我們想象中那么難, 難得是我們下定決心去做的那份意念而已.

通過本文我們了解到了協變性、逆變性、不變性的定義,以及它是通過一種什么樣的形式來實現的， 另外通過實例我們也可以想到如果用好了它，也會給我的開發帶來事半功倍的效果。使我們的代碼更加優雅、提高程序可擴展性以及復用性，同時這不也是一種多態的體現嗎？

通過協變和逆變也有一些限制,這可能也是因為設計者出于類型安全性的方面考慮,它是不支持類的類型參數的可變性,只有接口和委托可以擁有可變的類型參數. 可變性只支持引用轉換.

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作者：劉彬

出處：http://albin.blog.51cto.com/

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