C/C++ 的协变和逆变

概述

如果类型 Car 是类型 Vehicle 的子类型（subtype，Car ≤ Vehicle，可以在任何出现 Vehicle 的地方用 Car 代替），那么关于 Car 和 Vehicle 的复杂类型（如 std::vector<Car> 和 std::vector<Vehicle>）之间的关系如下：

• std::vector<Car> 是 std::vector<Vehicle> 的子类型，所有出现 std::vector<Vehicle> 的地方都可以用 std::vector<Car> 代替，即代替方向一致，则称之为协变（covariance）。
• std::vector<Vehicle> 是 std::vector<Car> 的子类型，所有出现 std::vector<Car> 的地方都可以用 std::vector<Vehicle> 代替，即代替方向相反，则称之为逆变（cotravariance）。
• std::vector<Vehicle> 和 std::vector<Car> 之间没有关系，则称之为不变（invariance）。

当我们深入模板的时候，协变和逆变这两个概念就会经常地出现。如果一个语言设计者要想设计一个支持参数化多态（例如，C++ 中模板，Java 和 C# 中泛型）的语言，那么他就必须在协变，逆变和不变中做出选择。看下面的例子：

class Vehicle { };
class Car : public Vehicle { };

std::vector<Vehicle> vehicles;
std::vector<Car> cars;

vehicles = cars; // ERROR, cars 不能代替 vehicles
cars = vehicles; // ERROR, vehicles 不能代替 cars

上述代码无法通过编译，cars 无法代替 vehicles，vehicles 也无法代替 cars，在此时表现出来的是不变。 每一次模板被实例化，编译器都会创建一个全新的类型；虽然 cars 和 vehicles 实例化了同一个模板，但是他们是两个完全不同的类型，之间没有任何关系。在 C++ 中，两个没有关系的用户自定义类型默认是无法彼此相互赋值的，但是只要我们定义合适的复制构造函数或者赋值操作符，就可以实现协变或者逆变。 std::vector 由于没有实现这样的复制构造函数和赋值操作符，因此表现出来的是不变。 不变只是其中的一种选择，其他的选择未必是错误的。事实上，对于指针和引用，C++ 选择了协变，例如 Car* 可以赋值给 Vehicle* ，更为准确地说，由于 Car ≤ Vehicle，则编译器允许在 Vehicle* 出现的地方由 Car* 来代替。

template <typename T>
using Pointer = T*;

Pointer<Vehicle> vehicle;
Pointer<Car> car;

vehicle = car; // OK, car 可以代替 vehicle，即在使用 vehicle 的时候实际上是用的是 car

上述代码中，我们利用 Pointer 表示指针，这种表示方法是为了让本文协调起来，重点讨论处理模板时的情况。这种表示方法不会造成其他副作用。 那么，当在处理模板时，我们应该在模板实例化的类之间选择怎样的关系呢？

• 首选是不变，也就是说，当 Car 和 Vehicle 的模板实例化之间是没有任何关系的。这是 C++ 的默认选择。
• 其次的选择是协变，即模板实例化之间的关系与模板参数之间的关系是一致的。例如，std::shared_ptr，std::unique_ptr 等，为了使他们表现更像普通的指针，应该选择协变。这种情况不是 C++ 默认的，我们需要编写合适的复制构造函数和赋值操作符。
• 最后的选择是逆变，模板实例化之间的关系与模板参数之间的关系是颠倒的。在接下来的部分将会讨论到逆变。

协变

通过协变，模板实例化保留了模板参数之间的关系，即所有出现 TEMPLATE<Vehicle> 的地方都可以用 TEMPLATE<Car> 来代替。 在 C++ 标准库中有如下常见的例子：

std::shared_ptr<Vehicle> shptr_vehicle;
std::shared_ptr<Car> shptr_car;
shptr_vehicle = shptr_car; // OK，shptr_car 可以代替 shptr_vehicle
shptr_car = shptr_vehicle; // ERROR

std::unique_ptr<Vehicle> unique_vehicle;
std::unique_ptr<Car> unique_car;
unique_vehicle = std::move(unique_car); // OK
unique_car = std::move(unique_vehicle); // ERROR

可以看得出来，std::shared_ptr 表现的和普通指针是一样，子类的指针可以赋值给父类的指针。

标准库中常见的模板类型：

其中我们需要注意的是，标准库中的所有容器都是不变的，即使容器包含的是指针，例如 std::vector<Car*> 。

逆变

我们假设 TEMPLATE<T> 满足逆变，则所有出现 TEMPLATE<Car> 都可以用 TEMPLATE<Vehicle> 代替，这样子的表达不直观，而且很容易发生运行时错误。所以逆变的应用范围十分地有限。 在介绍逆变应用之前，我们先看看 C++ 中的一个的特性：返回值协变（covariant return types）。

class VehicleFactory
{
public:
  virtual Vehicle* create() const { return new Vehicle; }
  virtual ~VehicleFactory() = default;
};

class CarFactory : public VehicleFactory
{
public:
  Car* create() const override { return new Car; }
};

VehicleFactory::create 的返回值是 Vehicle* ，而 CarFactory::create 的返回值是 Car* ； CarFactory::create 可以代替 VehicleFactory::create（重写）， Car* 代替 Vehicle* ，代替方向一致，即称为返回值协变。