协变与逆变 ​

原文链接: what are covariance and contravariance

子类型 在编程理论上是一个复杂的话题，而他的复杂之处来自于一对经常会被混淆的现象，我们称之为协变与逆变。这篇文章将会解释上述两个概念。

开始文章之前我们先约定如下的标记：

• A ≼ B 意味着 A 是 B 的子类型。
• A → B 指的是以 A 为参数类型，以 B 为返回值类型的函数类型。
• x : A 意味着 x 的类型为 A。

一个有趣的问题 ​

假设我有如下三种类型：

Greyhound ≼ Dog ≼ Animal

Greyhound （灰狗）是 Dog （狗）的子类型，而 Dog 则是 Animal （动物）的子类型。由于子类型通常是可传递的，因此我们也称 Greyhound 是 Animal 的子类型。

问题：以下哪种类型是 Dog → Dog 的子类型呢？

1. Greyhound → Greyhound
2. Greyhound → Animal
3. Animal → Animal
4. Animal → Greyhound

让我们来思考一下如何解答这个问题。首先我们假设 f 是一个以 Dog → Dog 为参数的函数。它的返回值并不重要，为了具体描述问题，我们假设函数结构体是这样的： f : (Dog → Dog) → String。

现在我想给函数 f 传入某个函数 g 来调用。我们来瞧瞧当 g 为以上四种类型时，会发生什么情况。

1. 我们假设 g : Greyhound → Greyhound， f(g) 的类型是否安全？

不安全，因为在f内调用它的参数(g)函数时，使用的参数可能是一个不同于灰狗但又是狗的子类型，例如 GermanShepherd （牧羊犬）。

2. 我们假设 g : Greyhound → Animal， f(g) 的类型是否安全？

不安全。理由同(1)。

3. 我们假设 g : Animal → Animal， f(g) 的类型是否安全？

不安全。因为 f 有可能在调用完参数之后，让返回值，也就是 Animal （动物）狗叫。并非所有动物都会狗叫。

4. 我们假设 g : Animal → Greyhound， f(g) 的类型是否安全？

是的，它的类型是安全的。首先，f 可能会以任何狗的品种来作为参数调用，而所有的狗都是动物。其次，它可能会假设结果是一条狗，而所有的灰狗都是狗。

展开讲讲？ ​

如上所述，我们得出结论：

(Animal → Greyhound) ≼ (Dog → Dog)

返回值类型很容易理解：灰狗是狗的子类型。但参数类型则是相反的：动物是狗的父类！

用合适的术语来描述这个奇怪的表现，可以说我们允许一个函数类型中，返回值类型是协变的，而参数类型是逆变的。返回值类型是协变的，意思是 A ≼ B 就意味着 (T → A) ≼ (T → B) 。参数类型是逆变的，意思是 A ≼ B 就意味着 (B → T) ≼ (A → T) （ A 和 B 的位置颠倒过来了）。

一个有趣的现象：在 TypeScript 中， 参数类型是双向协变的 ，也就是说既是协变又是逆变的，而这并不安全。但是现在你可以在 TypeScript 2.6 版本中通过 --strictFunctionTypes 或 --strict 标记来修复这个问题。

那其他类型呢？ ​

问题：List<Dog> 能否为 List<Animal> 的子类型？

答案有点微妙。如果列表是不可变的（immutable），那么答案是肯定的，因为类型很安全。但是假如列表是可变的，那么答案绝对是否定的！

原因是，假设我需要一串 List<Animal> 而你传给我一串 List<Dog>。由于我认为我拥有的是一串 List<Animal> ，我可能会尝试往列表插入一只 Cat。那么你的 List<Dog> 里面就会有一只猫！类型系统不应该允许这种情况发生。

总结一下，我们可以允许不变的列表（immutable）在它的参数类型上是协变的，但是对于可变的列表（mutable），其参数类型则必须是不变的（invariant），既不是协变也不是逆变。

一个有趣的现象：在 Java 中，数组既是可变的，又是协变的。当然，这并不安全。