C# 4.0 協變與逆變深度解析：從委派到介面的型別系統思維

前言

C# 4.0 引入泛型協變與逆變，是型別系統邁向更靈活多態的重要一步。但許多開發者僅知 out/in 關鍵字，卻不清其背後的「契約」與「輸入/輸出」本質。本文將從委派、介面兩大應用場景切入，層層剖析協變/逆變的核心邏輯與設計哲學。

核心定義：強弱型別視角

設 Bar : Foo，則 Foo 為弱型別（基類），Bar 為強型別（衍生類）。

• 協變：將 強型別構建的型別 指派給 弱型別構建的變數（out T）。
• 逆變：將 弱型別構建的型別 指派給 強型別構建的變數（in T）。

一、委派中的應用

1. 協變委派：回傳值位置

delegate TResult Func(); // 唯讀位置

Func fBar = () => new Bar();
Func fFoo = fBar; // OK: Bar → Foo
Foo foo = fFoo();      // 呼叫端只「讀取」Foo，實際回傳 Bar 符合 Liskov 原則

2. 逆變委派：參數位置

delegate void Action(T arg); // 唯寫位置

Action aFoo = (foo) => Console.WriteLine(foo);
Action aBar = aFoo; // OK: Foo → Bar
aBar(new Bar());         // 呼叫端只「傳入」Bar，實際處理 Foo 亦安全

二、介面中的應用

1. 協變介面：唯讀集合

interface IReadOnlyList : IEnumerable { T this[int i] { get; } }

IReadOnlyList bars = new List();
IReadOnlyList foos = bars; // OK，僅提供「取出」操作

2. 逆變介面：消費者/比較器

interface IComparer { int Compare(T x, T y); }

IComparer cmpFoo = new FooComparer();
IComparer cmpBar = cmpFoo; // OK，僅提供「輸入」操作

三、本質剖析：Func<in T, out TResult> 的啟示

Func<in T, out TResult> 完美詮釋：

• 參數 (in) = 輸入 = 逆變 = 呼叫端決定傳什麼，實作端必須能處理「更寬鬆」的型別（基類）。
• 回傳 (out) = 輸出 = 協變 = 實作端決定回什麼，呼叫端只期望「更嚴格」的型別（衍生類）。

因此 輸入參數不可標註 out，回傳值不可標註 in，否則違反型別安全。out/ref 參數兼具輸入輸出，故不可標註任何變異註記。

四、契約觀點：介面即契約，實作者即履約者

• 介面定義「契約」（方法簽名），實作類別「履約」。
• 協變：實作類別（強型別）提供的功能超過契約要求（弱型別），安全。
• 逆變：實作類別（弱型別）接受的輸入涵蓋契約要求（強型別），安全。

五、逆變實現「演算法重用」

逆變讓我們為基類定義一次演算法（如排序、比較、繪圖），自動適用於所有衍生類別，體現「多態」精髓：

interface IPaintable { Color Color { get; set; } }
interface IBrush where T : IPaintable { void Paint(T obj, Color c); }

class Brush : IBrush where T : IPaintable { ... }

// 一把「能塗 IPaintable」的刷子，自動能塗 Car、House 等所有衍生類
IBrush brush = new Brush();
IBrush carBrush = brush; // 逆變指派
carBrush.Paint(new Car(), Color.Red);

總結

協變 = 「繼承」的延伸（子類實例可當父類用）；逆變 = 「多態」的深化（父類邏輯可處理子類輸入）。掌握 in = 輸入 = 逆變、out = 輸出 = 協變，即可在設計泛型介面/委派時遊刃有餘。