【问题标题】:What are the kinds of covariance in C#? (Or, covariance: by example)C# 中的协方差有哪些种类? (或者,协方差:例如)
【发布时间】:2013-06-18 08:50:51
【问题描述】:

协变是(大致)在使用它们的复杂类型中镜像继承“简单”类型的能力。
例如。我们总是可以将Cat 的实例视为Animal 的实例。如果 ComplexType 是协变的,则 ComplexType<Cat> 可以被视为 ComplexType<Animal>

我想知道:协方差的“类型”是什么,它们与 C# 有什么关系(它们是否受支持?)
代码示例会很有帮助。

例如,一种类型是 返回类型协方差,Java 支持,但 C# 不支持。

我希望有函数式编程能力的人也能加入进来!

【问题讨论】:

  • 我认为您混淆了两个不同(但相似)的概念。一种称为协方差,另一种称为逆变。
  • 如果您正在寻找示例 - 几乎所有标准的 .Net 集合都是协变的。
  • @Nik 更正。 System.Generic.Collections 命名空间中的几乎所有 .net 接口都是协变的。
  • @Aron 是的,这就是我的意思,谢谢
  • 您可能想阅读我在设计添加到 C# 4 的协变/逆变功能时写的长系列文章。这些文章按从最近到最近的顺序排列,所以从底部开始。 blogs.msdn.com/b/ericlippert/archive/tags/…

标签: c# java functional-programming covariance


【解决方案1】:

这是我能想到的:

更新

在阅读了 Eric Lippert 指出(和撰写)的建设性 cmets 和大量文章后,我改进了答案:

  • 更新了数组协方差的破坏性
  • 添加了“纯”委托差异
  • 从 BCL 添加了更多示例
  • 添加了深入解释概念的文章链接。
  • 添加了关于高阶函数参数协方差的全新部分。

返回类型协方差

在 Java (>= 5)[1] 和 C++[2] 中可用,在 C# 中不支持(Eric Lippert 解释了 why notwhat you can do about it) :

class B {
    B Clone();
}

class D: B {
    D Clone();
}

接口协方差[3] - 在 C# 中支持

BCL 将通用IEnumerable 接口定义为协变的:

IEnumerable<out T> {...}

因此下面的例子是有效的:

class Animal {}
class Cat : Animal {}

IEnumerable<Cat> cats = ...
IEnumerable<Animal> animals = cats;

请注意,IEnumerable 根据定义是“只读”的 - 您不能向其中添加元素。
将其与可以修改的 IList&lt;T&gt; 的定义进行对比,例如使用.Add():

public interface IEnumerable<out T> : ...  //covariant - notice the 'out' keyword
public interface IList<T> : ...            //invariant

委托协方差通过方法组[4] - 在C#中支持

class Animal {}
class Cat : Animal {}

class Prog {
    public delegate Animal AnimalHandler();

    public static Animal GetAnimal(){...}
    public static Cat GetCat(){...}

    AnimalHandler animalHandler = GetAnimal;
    AnimalHandler catHandler = GetCat;        //covariance

}

“纯”委托协方差[5 - pre-variance-release article] - 在 C# 中支持

不带参数并返回某些内容的委托的 BCL 定义是协变的:

public delegate TResult Func<out TResult>()

这允许以下操作:

Func<Cat> getCat = () => new Cat();
Func<Animal> getAnimal = getCat; 

数组协方差 - 在 C# 中支持,以一种破碎的方式[6][7]

string[] strArray = new[] {"aa", "bb"};

object[] objArray = strArray;    //covariance: so far, so good
//objArray really is an "alias" for strArray (or a pointer, if you wish)


//i can haz cat?
object cat == new Cat();         //a real cat would object to being... objectified.

//now assign it
objArray[1] = cat                //crash, boom, bang
                                 //throws ArrayTypeMismatchException

最后 - 令人惊讶且有点令人费解的
委托参数协方差(是的,这就是 co-方差) - 用于高阶函数。[8]

接受一个参数但不返回任何内容的委托的 BCL 定义是逆变

public delegate void Action<in T>(T obj)

忍受我。让我们定义一个马戏团驯兽师 - 可以告诉他如何训练动物(通过给他一个与该动物一起工作的 Action)。

delegate void Trainer<out T>(Action<T> trainingAction);

我们有培训师的定义,让我们找一个培训师并让他工作。

Trainer<Cat> catTrainer = (catAction) => catAction(new Cat());

Trainer<Animal> animalTrainer = catTrainer;  
// covariant: Animal > Cat => Trainer<Animal> > Trainer<Cat> 

//define a default training method
Action<Animal> trainAnimal = (animal) => 
   { 
   Console.WriteLine("Training " + animal.GetType().Name + " to ignore you... done!"); 
   };

//work it!
animalTrainer(trainAnimal);

输出证明这是可行的:

训练猫忽略你...完成!

为了理解这一点,有必要开个玩笑。

有一天,一位语言学教授正在给他的班级讲课。
“在英语中,”他说,“双重否定形成一个肯定。
但是,”他指出,“没有一种语言可以使双重肯定可以形成否定。”

房间后面传来一个声音,“是的,没错。”

与协方差有什么关系?!

让我尝试一下餐巾纸背面的演示。

Action&lt;T&gt; 是逆变的,即它“翻转”了类型的关系:

A < B => Action<A> > Action<B> (1)

将上面的AB 更改为Action&lt;A&gt;Action&lt;B&gt; 并得到:

Action<A> < Action<B> => Action<Action<A>> > Action<Action<B>>  

or (flip both relationships)

Action<A> > Action<B> => Action<Action<A>> < Action<Action<B>> (2)     

将 (1) 和 (2) 放在一起,我们有:

,-------------(1)--------------.
 A < B => Action<A> > Action<B> => Action<Action<A>> < Action<Action<B>> (4)
         `-------------------------------(2)----------------------------'

但我们的Trainer&lt;T&gt; 代表实际上是Action&lt;Action&lt;T&gt;&gt;

Trainer<T> == Action<Action<T>> (3)

所以我们可以将(4)改写为:

A < B => ... => Trainer<A> < Trainer<B> 

- 根据定义,这意味着 Trainer 是协变的。

简而言之,应用Action 两次我们得到了逆变换,即类型之间的关系被翻转两次(见(4)),所以我们'回到协方差。

【讨论】:

  • 只是关于数组协方差的说明:如果添加第三行objArray[1] = new object();,而在编译时合法会在运行时抛出异常。从这个意义上说,与其他示例不同,数组协方差is broken
  • 好名单。我要做的一个小改动是注意从 C# 4 开始有两种委托协方差。您所说的那种我通常称为方法组协方差。委托协方差允许delegate R D&lt;R&gt;(); ... D&lt;Banana&gt; db = ()=&gt;new Banana(); D&lt;Fruit&gt; df = db;
【解决方案2】:

最好用更通用的结构类型来解释这一点。考虑:

  1. 元组类型:(T1, T2),一对类型 T1 和 T2(或更一般地说,n 元组);
  2. 函数类型:T1 -> T2,参数类型为 T1,结果为 T2 的函数;
  3. 可变类型:Mut(T),一个持有 T 的可变变量。

元组的两种组件类型都是协变的,即 (T1, T2)

函数的结果是协变的,参数是逆变的,即 (T1 -> T2) U2) 当且仅当 U1

可变类型是不变的,即 Mut(T)

所有这些规则都是最通用的正确子类型化规则。

现在,像您从主流语言中所知道的对象或接口类型可以解释为一种奇特的元组形式,其中包含作为函数的方法等。比如界面

interface C<T, U, V> {
  T f(U, U)
  Int g(U)
  Mut(V) x
}

本质上表示类型

C(T, U, V) = ((U, U) -> T, U -> Int, Mut(V))

其中 f、g 和 x 分别对应元组的第 1、第 2 和第 3 个分量。

根据上面的规则,C(T, U, V)

另一个例子:

interface D<T> {
  Int f(T)
  T g(Int)
}

D(T) = (T -> Int, Int -> T)

这里,D(T)

还有第四种情况,有时称为“二元”,即同时具有协变和逆变。例如,

interface E<T> { Int f(Int) }

在 T 中是双变量的,因为它实际上并没有被使用。

【讨论】:

    【解决方案3】:

    Java 对泛型类型采用使用地点差异 的概念:在每个使用地点指定所需的差异。这就是为什么Java程序员需要熟悉所谓的PECS规则。是的,它很笨拙,并且已经受到了很多批评。

    【讨论】:

    • +1 有趣。这个SO question 和链接的article 描述了使用站点差异(Java)和声明站点差异(C#)之间的区别。
    • 感谢您的链接,克里斯蒂,这是总体上最好的 SO 答案之一!
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