C#的协变(Covariance)和逆变(Contravariance)是什么？-C#.Net教程-PHP中文网

协变（out关键字）允许将更具体的泛型类型赋值给更通用的类型，适用于只输出数据的场景，如ienumerable<t>和func<tresult>；2. 逆变（in关键字）允许将更通用的泛型类型赋值给更具体的类型，适用于只输入数据的场景，如action<t>和icomparer<t>；3. 它们的核心应用场景包括集合操作中的类型转换、委托的多态性支持以及可扩展泛型接口的设计；4. 协变和逆变在编译时确保类型安全，通过in和out关键字限制类型参数的使用方向，防止不安全的读写操作；5. 实际开发中应在设计泛型接口或委托时根据输入输出角色决定是否使用协变或逆变，而在使用.net框架类型时应理解其特性以避免冗余转换；6. 当泛型类型参数同时用于输入和输出时，如ilist<t>，则不能使用协变或逆变以保证类型安全。

C#的协变(Covariance)和逆变(Contravariance)是什么？

C#中的协变（Covariance）和逆变（Contravariance）是泛型类型参数的两个重要特性，它们允许在泛型接口和泛型委托中实现更灵活的类型转换，从而在处理继承关系时保持类型安全。简单来说，它们让你可以用一个更具体的类型来替代一个更通用的类型（协变），或者用一个更通用的类型来替代一个更具体的类型（逆变），但这些替代并非随意，而是有严格的方向性，由

out

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和

in

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关键字控制，以确保编译时期的类型安全。

解决方案

在我看来，理解C#的协变和逆变，关键在于把握它们如何让泛型类型在继承体系中“流动”得更自然。这就像是在说，如果你有一个盛放水果的篮子（泛型类型），协变允许你把一个专门盛放苹果的篮子当作一个盛放水果的篮子来用（因为苹果是水果的一种），而逆变则允许你把一个能处理所有水果的机器（比如一个水果榨汁机）当作一个专门处理苹果的机器来用（因为能处理所有水果，自然也能处理苹果）。

协变（Covariance）

协变，用

out

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关键字标记泛型类型参数，通常用于那些“生产”或“输出”指定类型数据的泛型接口或委托。这意味着如果一个泛型类型参数被标记为

out

登录后复制

，那么你可以将一个泛型类型实例赋值给另一个使用其基类作为类型参数的泛型类型实例。

举个例子，

IEnumerable<T>

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接口就是协变的。它声明为

IEnumerable<out T>

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。这意味着，如果你有一个

IEnumerable<string>

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（一个字符串的集合），你可以把它赋值给一个

IEnumerable<object>

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变量。

// 假设Dog继承自Animal
class Animal { }
class Dog : Animal { }

// 协变示例
IEnumerable<Dog> dogs = new List<Dog> { new Dog(), new Dog() };
// 编译通过，因为IEnumerable<T>是协变的 (out T)
IEnumerable<Animal> animals = dogs; 

// 委托的协变：Func<out TResult>
Func<Dog> getDog = () => new Dog();
// 编译通过，Func的返回类型是协变的
Func<Animal> getAnimal = getDog;

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这里的核心逻辑是：如果你从一个集合中取出一个

Dog

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，那么它肯定也是一个

Animal

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。所以，将

IEnumerable<Dog>

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视为

IEnumerable<Animal>

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是安全的，你永远不会从

animals

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中取出一个不是

Animal

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的东西。

逆变（Contravariance）

逆变，用

in

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关键字标记泛型类型参数，通常用于那些“消费”或“输入”指定类型数据的泛型接口或委托。这意味着，如果一个泛型类型参数被标记为

in

登录后复制

，那么你可以将一个泛型类型实例赋值给另一个使用其派生类作为类型参数的泛型类型实例。

最典型的例子是

Action<T>

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委托，它声明为

Action<in T>

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。这意味着，如果你有一个

Action<object>

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（一个可以处理任何对象的委托），你可以把它赋值给一个

Action<string>

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变量。

// 逆变示例
Action<Animal> animalAction = (animal) => Console.WriteLine($"Processing animal: {animal.GetType().Name}");
// 编译通过，因为Action<T>是逆变的 (in T)
Action<Dog> dogAction = animalAction;
dogAction(new Dog()); // 实际上调用的是animalAction，但传入的是Dog，是安全的

// 接口的逆变：IComparer<in T>
class AnimalComparer : IComparer<Animal>
{
    public int Compare(Animal x, Animal y) => 0; // 简化处理
}

IComparer<Animal> comparerAnimal = new AnimalComparer();
// 编译通过，IComparer<T>是逆变的
IComparer<Dog> comparerDog = comparerAnimal;

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这里的核心逻辑是：如果一个委托能够处理任何

Animal

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，那么它当然也能处理一个

Dog

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（因为

Dog

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是

Animal

登录后复制

的一种）。所以，将

Action<Animal>

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视为

Action<Dog>

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是安全的，你永远不会传入一个

Dog

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而它却无法处理。

总的来说，协变和逆变是C#类型系统为了在泛型和继承之间架设桥梁而引入的机制，它们让代码在保持类型安全的同时，拥有了更高的灵活性和复用性。

C#中协变和逆变的核心应用场景是什么？

在我看来，协变和逆变最核心的应用场景，就是让我们的代码在处理泛型集合、委托和接口时，能够更自然地与面向对象的多态性结合起来。这大大减少了我们手动进行类型转换的繁琐，让API设计更加流畅。

首先，集合操作是协变最常见的舞台。

IEnumerable<T>

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的协变性允许你将一个

List<Derived>

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直接赋值给

IEnumerable<Base>

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，这在LINQ查询中尤为明显。比如，你有一个

List<Product>

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，而你的方法需要一个

IEnumerable<object>

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，因为

IEnumerable<T>

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是协变的，你不需要任何额外的转换就能直接传入。这对于构建可重用的、接受各种相关类型集合的方法非常有用。

其次，委托是协变和逆变大放异彩的地方。

Func<out TResult>

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的返回类型协变性，意味着如果你的

Func<Dog>

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返回一个

Dog

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，那么它也可以被视为一个返回

Animal

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的

Func<Animal>

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。同样，

Action<in T>

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的输入参数逆变性，意味着一个

Action<Animal>

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（能处理所有动物的动作）可以被赋值给一个

Action<Dog>

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（一个只处理狗的动作），因为能处理动物的动作自然也能处理狗。这在事件处理、回调函数以及LINQ的

Select

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、

Where

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等操作中，提供了极大的便利性，让我们可以用更通用的委托来处理更具体的事件，或者反之。

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再者，设计可扩展的泛型接口时，协变和逆变提供了强大的工具。当你设计一个接口，其中某个泛型类型参数只用于输出（比如一个数据源接口），你可以将其标记为

out

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，这样消费者就可以更灵活地使用你的接口。反之，如果某个参数只用于输入（比如一个比较器或处理器），你可以将其标记为

in

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，允许消费者传入更通用的实现。这使得库和框架的设计者能够创建出更具通用性和互操作性的API。

例如，如果你正在编写一个通用的数据处理管道，其中一个组件负责从某个源读取数据，你可能会定义一个

IDataReader<out T>

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。另一个组件负责将数据写入某个目标，你可能会定义一个

IDataWriter<in T>

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。这样，你就可以轻松地将

IDataReader<SpecificData>

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连接到

IDataWriter<BaseData>

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，只要

SpecificData

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是

BaseData

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的子类。这种设计模式，在我看来，是构建灵活、可插拔系统的基石。

协变和逆变如何影响C#类型系统的灵活性和安全性？

在我看来，协变和逆变在C#类型系统中的作用，就像是给类型转换加了智能的“交通规则”，在不牺牲安全的前提下，极大地提升了灵活性。这两种特性并不是让不安全的转换变得安全，而是定义了在泛型语境下哪些看似“不寻常”的类型转换实际上是完全类型安全的。

灵活性提升：

代码复用性增强： 这是最直观的好处。没有协变和逆变，你可能需要为每个具体的类型组合编写重复的代码，或者进行大量的显式类型转换。例如，如果你有一个方法接受
```
IEnumerable<Animal>
```
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，但你手上只有
```
List<Dog>
```
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，没有协变你就得写
```
listDogs.Cast<Animal>()
```
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，这不仅增加了代码量，也引入了潜在的运行时开销（尽管对于
```
IEnumerable
```
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通常是延迟执行的）。有了它们，类型转换变得“隐形”且自然，代码更简洁，意图更清晰。
API设计更友好： 对于库和框架的开发者来说，协变和逆变让他们能够设计出更具弹性的API。一个方法可以接受
```
IEnumerable<Base>
```
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，而无需关心调用者传递的是
```
IEnumerable<Derived>
```
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。一个事件处理器可以订阅一个
```
Action<Derived>
```
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，即使它内部实现是
```
Action<Base>
```
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。这种设计让消费者在使用API时感觉更顺畅，减少了类型兼容性带来的摩擦。
更强的多态性： 它们将面向对象的多态性概念延伸到了泛型类型参数层面。在运行时，一个
```
Dog
```
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对象可以被视为
```
Animal
```
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对象，在编译时，一个
```
IEnumerable<Dog>
```
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实例也可以被视为
```
IEnumerable<Animal>
```
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实例，只要其用途（生产者或消费者）符合协变/逆变规则。这使得泛型代码能够更好地适应继承层次结构。

安全性保障：

编译时类型安全： 这是最关键的一点。协变和逆变不是在运行时进行不安全的类型转换，而是在编译时就通过
```
in
```
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和
```
out
```
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关键字强制执行严格的规则。如果一个泛型类型参数被标记为
```
out
```
登录后复制
，但你在其内部尝试将其作为输入参数使用，编译器会立即报错。同样，如果标记为
```
in
```
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的参数被用于输出，也会报错。这种编译时检查，杜绝了在运行时可能出现的
```
InvalidCastException
```
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或其他类型不匹配的错误。
防止“写错”问题： 考虑
```
IList<T>
```
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为什么既不是协变也不是逆变。如果
```
IList<string>
```
登录后复制
可以协变为
```
IList<object>
```
登录后复制
，那么你就可以通过
```
IList<object>
```
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的引用，尝试向原始的
```
IList<string>
```
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中添加一个
```
int
```
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对象，这显然是类型不安全的。C#通过不允许
```
IList<T>
```
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协变或逆变来避免这种潜在的危险。
```
in
```
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和
```
out
```
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关键字的存在，正是为了明确地告诉编译器，这个泛型参数是安全的“输入”还是安全的“输出”，从而防止了这种“写错”的风险。
清晰的意图表达：
```
in
```
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和
```
out
```
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关键字本身就是一种契约，清晰地表达了泛型类型参数的用途。这不仅帮助编译器进行安全检查，也帮助开发者更好地理解和使用泛型类型，减少了误用。

在我看来，协变和逆变是C#类型系统设计中的一个精妙之处。它们在不引入运行时开销和不牺牲类型安全的前提下，为泛型代码带来了显著的灵活性提升，让C#在处理复杂类型关系时显得更加优雅和强大。

在实际开发中，何时应该考虑使用协变和逆变？

在实际开发中，我们通常不是“主动决定使用”协变或逆变，而更多的是“理解它们并利用它们”来编写更健壮、更灵活的代码，尤其是在设计API或处理现有框架中的泛型类型时。

首先，当你设计自己的泛型接口或委托时，这是最直接的考量点。

如果你的泛型类型参数
```
T
```
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主要用于作为方法的返回值（即“生产”数据），或者作为属性的只读类型，那么你应该考虑使用
```
out T
```
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（协变）。例如，一个
```
IDataSource<out T>
```
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接口，它只提供获取数据的方法，而不接受数据作为输入。这样，当消费者需要一个
```
IDataSource<BaseType>
```
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时，你可以给他一个
```
IDataSource<DerivedType>
```
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的实例。
如果你的泛型类型参数
```
T
```
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主要用于作为方法的输入参数（即“消费”数据），那么你应该考虑使用
```
in T
```
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（逆变）。例如，一个
```
IProcessor<in T>
```
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接口，它只接受数据进行处理。这样，当消费者需要一个
```
IProcessor<DerivedType>
```
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时，你可以给他一个
```
IProcessor<BaseType>
```
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的实例，因为它能处理更通用的类型，自然也能处理派生类型。

其次，当你使用.NET框架提供的泛型类型时，理解它们的协变/逆变特性能够让你写出更自然、更简洁的代码。

最常见的就是
```
IEnumerable<T>
```
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。当你有一个
```
List<string>
```
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，而你调用的方法签名是
```
void ProcessObjects(IEnumerable<object> items)
```
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时，你不需要做任何显式转换，直接传入
```
myListOfStrings
```
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即可。这就是协变在发挥作用。如果你不理解这一点，可能会多此一举地进行
```
Cast<object>()
```
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操作。
```
Func<TArg, TResult>
```
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和
```
Action<TArg>
```
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委托也是如此。如果你有一个
```
Func<Animal, string> GetAnimalName
```
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，而你有一个需要
```
Func<Dog, string>
```
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的API，你可以直接传递
```
GetAnimalName
```
登录后复制
，因为
```
Func
```
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的第一个参数是逆变的。同理，
```
Action<object>
```
登录后复制
可以赋值给
```
Action<string>
```
登录后复制
。这在处理事件、回调或LINQ表达式时，能避免很多不必要的委托包装。