协方差和反方差的真实世界示例

我在理解如何在现实世界中使用协方差和逆方差时遇到了一些麻烦。

到目前为止，我所看到的唯一示例是相同的旧数组示例。

object[] objectArray = new string[] { "string 1", "string 2" };

如果能看到其他地方使用的示例，那么很高兴能在开发期间使用它。

假设您有一个Person类和一个从其派生的类Teacher。您有一些操作以a IEnumerable<Person>作为参数。在您的School课堂中，您有一个返回的方法IEnumerable<Teacher>。协方差允许您将结果直接用于采用的方法，将IEnumerable<Person>更多派生的类型替换为次派生（更通用）的类型。违反直觉，相反，您可以使用更通用的类型，其中指定了更多的派生类型。

另请参见MSDN上泛型中的协方差和协方差。

课程：

public class Person 
{
     public string Name { get; set; }
} 

public class Teacher : Person { } 

public class MailingList
{
    public void Add(IEnumerable<out Person> people) { ... }
}

public class School
{
    public IEnumerable<Teacher> GetTeachers() { ... }
}

public class PersonNameComparer : IComparer<Person>
{
    public int Compare(Person a, Person b) 
    { 
        if (a == null) return b == null ? 0 : -1;
        return b == null ? 1 : Compare(a,b);
    }

    private int Compare(string a, string b)
    {
        if (a == null) return b == null ? 0 : -1;
        return b == null ? 1 : a.CompareTo(b);
    }
}

用法：

var teachers = school.GetTeachers();
var mailingList = new MailingList();

// Add() is covariant, we can use a more derived type
mailingList.Add(teachers);

// the Set<T> constructor uses a contravariant interface, IComparer<in T>,
// we can use a more generic type than required.
// See https://msdn.microsoft.com/en-us/library/8ehhxeaf.aspx for declaration syntax
var teacherSet = new SortedSet<Teachers>(teachers, new PersonNameComparer());

// Contravariance
interface IGobbler<in T> {
    void gobble(T t);
}

// Since a QuadrupedGobbler can gobble any four-footed
// creature, it is OK to treat it as a donkey gobbler.
IGobbler<Donkey> dg = new QuadrupedGobbler();
dg.gobble(MyDonkey());

// Covariance
interface ISpewer<out T> {
    T spew();
}

// A MouseSpewer obviously spews rodents (all mice are
// rodents), so we can treat it as a rodent spewer.
ISpewer<Rodent> rs = new MouseSpewer();
Rodent r = rs.spew();

为了完整性...

// Invariance
interface IHat<T> {
    void hide(T t);
    T pull();
}

// A RabbitHat…
IHat<Rabbit> rHat = RabbitHat();

// …cannot be treated covariantly as a mammal hat…
IHat<Mammal> mHat = rHat;      // Compiler error
// …because…
mHat.hide(new Dolphin());      // Hide a dolphin in a rabbit hat??

// It also cannot be treated contravariantly as a cottontail hat…
IHat<CottonTail> cHat = rHat;  // Compiler error
// …because…
rHat.hide(new MarshRabbit());
cHat.pull();                   // Pull a marsh rabbit out of a cottontail hat??

这是我整理来帮助我理解差异的方法

public interface ICovariant<out T> { }
public interface IContravariant<in T> { }

public class Covariant<T> : ICovariant<T> { }
public class Contravariant<T> : IContravariant<T> { }

public class Fruit { }
public class Apple : Fruit { }

public class TheInsAndOuts
{
    public void Covariance()
    {
        ICovariant<Fruit> fruit = new Covariant<Fruit>();
        ICovariant<Apple> apple = new Covariant<Apple>();

        Covariant(fruit);
        Covariant(apple); //apple is being upcasted to fruit, without the out keyword this will not compile
    }

    public void Contravariance()
    {
        IContravariant<Fruit> fruit = new Contravariant<Fruit>();
        IContravariant<Apple> apple = new Contravariant<Apple>();

        Contravariant(fruit); //fruit is being downcasted to apple, without the in keyword this will not compile
        Contravariant(apple);
    }

    public void Covariant(ICovariant<Fruit> fruit) { }

    public void Contravariant(IContravariant<Apple> apple) { }
}

tldr

ICovariant<Fruit> apple = new Covariant<Apple>(); //because it's covariant
IContravariant<Apple> fruit = new Contravariant<Fruit>(); //because it's contravariant

in和out关键字控制具有通用参数的接口和委托的编译器强制转换规则：

interface IInvariant<T> {
    // This interface can not be implicitly cast AT ALL
    // Used for non-readonly collections
    IList<T> GetList { get; }
    // Used when T is used as both argument *and* return type
    T Method(T argument);
}//interface

interface ICovariant<out T> {
    // This interface can be implicitly cast to LESS DERIVED (upcasting)
    // Used for readonly collections
    IEnumerable<T> GetList { get; }
    // Used when T is used as return type
    T Method();
}//interface

interface IContravariant<in T> {
    // This interface can be implicitly cast to MORE DERIVED (downcasting)
    // Usually means T is used as argument
    void Method(T argument);
}//interface

class Casting {

    IInvariant<Animal> invariantAnimal;
    ICovariant<Animal> covariantAnimal;
    IContravariant<Animal> contravariantAnimal;

    IInvariant<Fish> invariantFish;
    ICovariant<Fish> covariantFish;
    IContravariant<Fish> contravariantFish;

    public void Go() {

        // NOT ALLOWED invariants do *not* allow implicit casting:
        invariantAnimal = invariantFish; 
        invariantFish = invariantAnimal; // NOT ALLOWED

        // ALLOWED covariants *allow* implicit upcasting:
        covariantAnimal = covariantFish; 
        // NOT ALLOWED covariants do *not* allow implicit downcasting:
        covariantFish = covariantAnimal; 

        // NOT ALLOWED contravariants do *not* allow implicit upcasting:
        contravariantAnimal = contravariantFish; 
        // ALLOWED contravariants *allow* implicit downcasting
        contravariantFish = contravariantAnimal; 

    }//method

}//class

// .NET Framework Examples:
public interface IList<T> : ICollection<T>, IEnumerable<T>, IEnumerable { }
public interface IEnumerable<out T> : IEnumerable { }


class Delegates {

    // When T is used as both "in" (argument) and "out" (return value)
    delegate T Invariant<T>(T argument);

    // When T is used as "out" (return value) only
    delegate T Covariant<out T>();

    // When T is used as "in" (argument) only
    delegate void Contravariant<in T>(T argument);

    // Confusing
    delegate T CovariantBoth<out T>(T argument);

    // Confusing
    delegate T ContravariantBoth<in T>(T argument);

    // From .NET Framework:
    public delegate void Action<in T>(T obj);
    public delegate TResult Func<in T, out TResult>(T arg);

}//class

这是一个使用继承层次结构的简单示例。

给定简单的类层次结构：

并在代码中：

public abstract class LifeForm  { }
public abstract class Animal : LifeForm { }
public class Giraffe : Animal { }
public class Zebra : Animal { }

不变性（即，通用类型参数*不*用in或out关键字修饰）

貌似这样的方法

public static void PrintLifeForms(IList<LifeForm> lifeForms)
{
    foreach (var lifeForm in lifeForms)
    {
        Console.WriteLine(lifeForm.GetType().ToString());
    }
}

...应该接受一个异构集合：

var myAnimals = new List<LifeForm>
{
    new Giraffe(),
    new Zebra()
};
PrintLifeForms(myAnimals); // Giraffe, Zebra

但是，传递更多派生类型的集合失败！

var myGiraffes = new List<Giraffe>
{
    new Giraffe(), // "Jerry"
    new Giraffe() // "Melman"
};
PrintLifeForms(myGiraffes); // Compile Error!

cannot convert from 'System.Collections.Generic.List<Giraffe>' to 'System.Collections.Generic.IList<LifeForm>'

为什么？由于泛型参数IList<LifeForm>不是协变的- IList<T>是不变的，因此IList<LifeForm>仅接受参数化类型T必须为的集合（实现IList）LifeForm。

如果的方法实现PrintLifeForms是恶意的（但具有相同的方法签名），则编译器阻止传递的原因List<Giraffe>显而易见：

 public static void PrintLifeForms(IList<LifeForm> lifeForms)
 {
     lifeForms.Add(new Zebra());
 }

由于IList允许添加或删除元素，LifeForm因此可以将的任何子类添加到参数中lifeForms，并且将违反传递给方法的任何派生类型集合的类型。（在这里，恶意方法将尝试添加Zebra到var myGiraffes）。幸运的是，编译器使我们免受了这种危险。

协方差（带有参数化类型的通用，以修饰out）

协方差广泛用于不可变集合（即无法在集合中添加或删除新元素的地方）

上面示例的解决方案是确保使用协变通用集合类型，例如IEnumerable（定义为IEnumerable<out T>）。IEnumerable没有更改集合的方法，并且由于out协方差的缘故，LifeForm现在可以将任何具有子类型的集合传递给方法：

public static void PrintLifeForms(IEnumerable<LifeForm> lifeForms)
{
    foreach (var lifeForm in lifeForms)
    {
        Console.WriteLine(lifeForm.GetType().ToString());
    }
}

PrintLifeForms现在可以叫Zebras，Giraffes和任何IEnumerable<>的任何子类的LifeForm

矛盾（带有参数化类型的通用装饰有in）

当函数作为参数传递时，经常使用协变性。

这是一个函数示例，该函数将an Action<Zebra>作为参数，并在Zebra的已知实例上调用它：

public void PerformZebraAction(Action<Zebra> zebraAction)
{
    var zebra = new Zebra();
    zebraAction(zebra);
}

如预期的那样，这很好：

var myAction = new Action<Zebra>(z => Console.WriteLine("I'm a zebra"));
PerformZebraAction(myAction); // I'm a zebra

凭直觉，这将失败：

var myAction = new Action<Giraffe>(g => Console.WriteLine("I'm a giraffe"));
PerformZebraAction(myAction); 

cannot convert from 'System.Action<Giraffe>' to 'System.Action<Zebra>'

但是，这成功了

var myAction = new Action<Animal>(a => Console.WriteLine("I'm an animal"));
PerformZebraAction(myAction); // I'm an animal

甚至这也成功了：

var myAction = new Action<object>(a => Console.WriteLine("I'm an amoeba"));
PerformZebraAction(myAction); // I'm an amoeba

为什么？因为Action被定义为Action<in T>，即，其是contravariant，这意味着为Action<Zebra> myAction，其myAction可在“最”一个Action<Zebra>，但较少衍生的超Zebra也可以接受。

尽管起初这可能不直观（例如，如何Action<object>将a作为参数传递给需要Action<Zebra>？），但是如果解压缩步骤，您会注意到被调用的函数（PerformZebraAction）本身负责传递数据（在这种情况下，Zebra实例） ）传递给函数-数据不是来自调用代码。

由于以这种方式使用高阶函数的反向方法，在Action调用时，虽然函数本身使用的是较少派生的类型，但Zebra针对zebraAction函数调用的是派生性更高的实例（作为参数传递）。

class A {}
class B : A {}

public void SomeFunction()
{
    var someListOfB = new List<B>();
    someListOfB.Add(new B());
    someListOfB.Add(new B());
    someListOfB.Add(new B());
    SomeFunctionThatTakesA(someListOfB);
}

public void SomeFunctionThatTakesA(IEnumerable<A> input)
{
    // Before C# 4, you couldn't pass in List<B>:
    // cannot convert from
    // 'System.Collections.Generic.List<ConsoleApplication1.B>' to
    // 'System.Collections.Generic.IEnumerable<ConsoleApplication1.A>'
}

基本上，只要您有一个采用一种类型的Enumerable的函数，就不能在未显式强制转换的情况下传递派生类型的Enumerable。

只是为了警告您一个陷阱：

var ListOfB = new List<B>();
if(ListOfB is IEnumerable<A>)
{
    // In C# 4, this branch will
    // execute...
    Console.Write("It is A");
}
else if (ListOfB is IEnumerable<B>)
{
    // ...but in C# 3 and earlier,
    // this one will execute instead.
    Console.Write("It is B");
}

无论如何这都是可怕的代码，但是它确实存在，如果使用这样的结构，C＃4中不断变化的行为可能会引入难以发现的错误。

从MSDN

以下代码示例显示了对方法组的协方差和对数支持

static object GetObject() { return null; }
static void SetObject(object obj) { }

static string GetString() { return ""; }
static void SetString(string str) { }

static void Test()
{
    // Covariance. A delegate specifies a return type as object, 
    // but you can assign a method that returns a string.
    Func<object> del = GetString;

    // Contravariance. A delegate specifies a parameter type as string, 
    // but you can assign a method that takes an object.
    Action<string> del2 = SetObject;
}

逆差

在现实世界中，您总是可以使用动物收容所代替兔子收容所，因为每次动物收容所收容兔子都是动物。但是，如果您使用兔子收容所而不是动物收容所，则其工作人员可能会被老虎吞噬。

在代码中，这意味着，如果你有一个IShelter<Animal> animals可以简单的写IShelter<Rabbit> rabbits = animals ，如果你答应和使用T的IShelter<T>唯一的方法参数，如下所示：

public class Contravariance
{
    public class Animal { }
    public class Rabbit : Animal { }

    public interface IShelter<in T>
    {
        void Host(T thing);
    }

    public void NoCompileErrors()
    {
        IShelter<Animal> animals = null;
        IShelter<Rabbit> rabbits = null;

        rabbits = animals;
    }
}

并用更通用的商品替换商品，即减少差异或引入对价差异。

协方差

在现实世界中，您总是可以使用兔子的供应商来代替动物的供应商，因为兔子供应商每次给您的兔子都是动物。但是，如果您使用动物供应商而不是兔子供应商，则可能被老虎吃掉。

在代码中，这意味着如果您有一个ISupply<Rabbit> rabbits，则可以简单地编写，ISupply<Animal> animals = rabbits 只要您保证并T在ISupply<T>方法中将其用作唯一的返回值，例如：

public class Covariance
{
    public class Animal { }
    public class Rabbit : Animal { }

    public interface ISupply<out T>
    {
        T Get();
    }

    public void NoCompileErrors()
    {
        ISupply<Animal> animals = null;
        ISupply<Rabbit> rabbits = null;

        animals = rabbits;
    }
}

并用衍生性更高的商品代替，即增加差异或引入协方差。

总而言之，这只是您的编译时可检查的保证，即您将以某种方式对待泛型类型，以确保类型安全并且不会被任何人吃掉。

你可能想给这个一读双绕你的头解决这个问题。

转换器代表帮助我将两个概念一起可视化：

delegate TOutput Converter<in TInput, out TOutput>(TInput input);

TOutput表示方法返回更特定类型的协方差。

TInput表示方法传递不那么具体的类型的协方差。

public class Dog { public string Name { get; set; } }
public class Poodle : Dog { public void DoBackflip(){ System.Console.WriteLine("2nd smartest breed - woof!"); } }

public static Poodle ConvertDogToPoodle(Dog dog)
{
    return new Poodle() { Name = dog.Name };
}

List<Dog> dogs = new List<Dog>() { new Dog { Name = "Truffles" }, new Dog { Name = "Fuzzball" } };
List<Poodle> poodles = dogs.ConvertAll(new Converter<Dog, Poodle>(ConvertDogToPoodle));
poodles[0].DoBackflip();