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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)類型與弱類型

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

 
 
 
    
  
  
  
  1. public class Foo    
    2. 
  
  
  
  2.  {    
    3. 
  
  
  
  3.      //Others Members...    
    4. 
  
  
  
  4.  }    
    5. 
  
  
  
  5.  public class Bar:Foo    
    6. 
  
  
  
  6.  {    
    7. 
  
  
  
  7.      //Others Members...    
    8. 
  
  
  
  8.  }
    9.

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

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 ，類型參數(shù)為函數(shù)返回值的類型。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)類型的委托Fucntion 實(shí)例就可以賦值給基于弱類型的委托Fucntion 變量。

 
 
 
    
  
  
  
  1. public delegate T Function();    
    2. 
  
  
  
  2.  class Program    
    3. 
  
  
  
  3.  {    
    4. 
  
  
  
  4.      static void Main()    
    5. 
  
  
  
  5.     {    
    6. 
  
  
  
  6.         Function  funcBar =  new Function (GetInstance);      
    7. 
  
  
  
  7.         Function  funcFoo = funcBar;     
    8. 
  
  
  
  8.         Foo foo = funcFoo();    
    9. 
  
  
  
  9.     }   
    10. 
  
  
  
  10.      static Bar GetInstance()   
    11. 
  
  
  
  11.      {   
    12. 
  
  
  
  12.          return new Bar();   
    13. 
  
  
  
  13.      }   
    14. 
  
  
  
  14.  }
    15.

接下來(lái)介紹逆變委托的用法。下面定義了一個(gè)名稱為Operate的泛型委托，接受一個(gè)具有泛型參數(shù)類型的參數(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型的委托Operate 實(shí)例就可以賦值給基于強(qiáng)類型的委托Operate 變量。

 
 
 
    
  
  
  
  1. public delegate void Operate(T instance);  
    2. 
  
  
  
  2. class Program  
    3. 
  
  
  
  3. {  
    4. 
  
  
  
  4. static void Main()  
    5. 
  
  
  
  5. {  
    6. 
  
  
  
  6. Operate  opFoo =  new Operate (DoSth);    
    7. 
  
  
  
  7. Operate  opBar = opFoo;    
    8. 
  
  
  
  8. opBar(new Bar());  
    9. 
  
  
  
  9. }  
    10. 
  
  
  
  10. static void DoSth(Foo foo)  
    11. 
  
  
  
  11. {  
    12. 
  
  
  
  12. //Others...  
    13. 
  
  
  
  13. }  
    14. 
  
  
  
  14. }
    15.

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)類型的委托IGroup 實(shí)例就可以賦值給基于弱類型的委托IGroup 變量。

 
 
 
    
  
  
  
  1. public interface IGroup : IEnumerable   
    2. 
  
  
  
  2. { }  
    3. 
  
  
  
  3. public class Group  : List , IGroup     
    4. 
  
  
  
  4. { }  
    5. 
  
  
  
  5. public delegate void Operate(T instance);  
    6. 
  
  
  
  6. class Program  
    7. 
  
  
  
  7. {  
    8. 
  
  
  
  8. static void Main()  
    9. 
  
  
  
  9. {  
    10. 
  
  
  
  10. IGroup  groupOfBar =  new Group ();    
    11. 
  
  
  
  11. IGroup  groupOfFoo = groupOfBar;    
    12. 
  
  
  
  12. //Others...  
    13. 
  
  
  
  13. } 
    14. 
  
  
  
  14. } 
    15.

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)該接口的類型的對(duì)象具有自己的顏色，并可以改變顏色。類型Car實(shí)現(xiàn)了該接口。接口IBrush 定義了一把刷子，泛型類型需要實(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)象的類型為泛型參數(shù)類型。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)類型的委托IBrush 實(shí)例就可以賦值給基于弱類型的委托IBrush 變量。

 
 
 
    
  
  
  
  1. public interface IPaintable  
    2. 
  
  
  
  2. { 
    3. 
  
  
  
  3. Color Color { get; set; }  
    4. 
  
  
  
  4. } 
    5. 
  
  
  
  5. public class Car : IPaintable  
    6. 
  
  
  
  6. {  
    7. 
  
  
  
  7. public Color Color { get; set; }  
    8. 
  
  
  
  8. }  
    9. 
  
  
  
  9. 
  
  
  
  10. public interface IBrush where T : IPaintable  
    11. 
  
  
  
  11. {  
    12. 
  
  
  
  12. void Paint(T objectToPaint, Color color);  
    13. 
  
  
  
  13. }  
    14. 
  
  
  
  14. public class Brush  : IBrush  where T : IPaintable    
    15. 
  
  
  
  15. {  
    16. 
  
  
  
  16. public void Paint(T objectToPaint, Color color)  
    17. 
  
  
  
  17. {  
    18. 
  
  
  
  18. objectToPaint.Color = color;  
    19. 
  
  
  
  19. }  
    20. 
  
  
  
  20. }  
    21. 
  
  
  
  21. 
  
  
  
  22. class Program  
    23. 
  
  
  
  23. {  
    24. 
  
  
  
  24. static void Main()  
    25. 
  
  
  
  25. {  
    26. 
  
  
  
  26. IBrush  brush =  new Brush ();    
    27. 
  
  
  
  27. IBrush  carBrush = brush;    
    28. 
  
  
  
  28. Car car = new Car();  
    29. 
  
  
  
  29. carBrush.Paint(car, Color.Red);  
    30. 
  
  
  
  30. Console.WriteLine(car.Color.Name);  
    31. 
  
  
  
  31. }  
    32. 
  
  
  
  32. } 
    33.

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)類型為逆變，返回值類型為協(xié)變。

 
 
 
    
  
  
  
  1. public delegate TResult Func(T arg);
    2.

再重申以下這句話“輸入?yún)?shù)類型為逆變，返回值類型為協(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)際上類型繼承也屬于一種契約關(guān)系，基類定義契約，子類“簽署”該契約。對(duì)于類型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，接口實(shí)現(xiàn)和類型繼承本質(zhì)上是一致的。契約是弱類型，簽署這份契約的是強(qiáng)類型。

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型，所以被賦值變量類型是強(qiáng)類型。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)類型定義成成協(xié)變，也不能將返回類型定義成逆變。下面兩中變體定義方式都是不能通過(guò)編譯的。

 
 
 
    
  
  
  
  1. delegate TResult Fucntion(T arg);  
    2. 
  
  
  
  2. delegate TResult Fucntion in  TResult>(T arg);   
    3.

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)類型的對(duì)象）。也正是為此，輸出參數(shù)的類型及不能定義成協(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。

 
 
 
    
  
  
  
  1. delegate void Action(out T arg);  
    2. 
  
  
  
  2. delegate void Action(out T arg);
    3.

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惗x了一套操作，可以自動(dòng)應(yīng)用于所有子類的對(duì)象。


網(wǎng)站題目：C#4.0新特性:協(xié)變與逆變中的編程思想
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