编程语言的类型推断怎么解决协变和逆变的问题？
类型推断机制，在许多现代编程语言中扮演着至关重要的角色，它能够自动确定变量、函数参数和返回值的类型，从而简化代码编写，减少类型错误。然而，当涉及到泛型和继承关系时，一个棘手的挑战便出现了：如何处理“协变”和“逆变”这些与类型安全息息相关的概念。
首先，我们得明白协变和逆变到底是怎么一回事。想象一下，我们有一个表示“哺乳动物”的基类，以及一个派生类“狗”。
协变（Covariance）：允许我们将派生类型的实例传递给期望基类型实例的地方。举个例子，如果一个函数接受一个“哺乳动物”的列表，那么传入一个“狗”的列表应该是可以的，因为“狗”也是“哺乳动物”。在泛型语境下，如果一个类型构造器 `F` 是协变的，那么 `F` 可以被视为 `F` 的子类型，前提是 `SubType` 是 `BaseType` 的子类型。
逆变（Contravariance）：允许我们将基类型实例传递给期望派生类型实例的地方。这听起来有点反直觉，但设想一下，如果一个函数接受一个“接受哺乳动物”的对象，那么传入一个“接受狗”的对象似乎是更安全的，因为“接受狗”的对象能处理所有“哺乳动物”，所以它自然也能处理“狗”。在泛型语境下，如果一个类型构造器 `F` 是逆变的，那么 `F` 可以被视为 `F` 的子类型，前提是 `SubType` 是 `BaseType` 的子类型。
不变（Invariance）：介于两者之间，不允许任何形式的子类型替换。这意味着 `F` 和 `F` 之间没有直接的子类型关系，即使 `SubType` 是 `BaseType` 的子类型。
现在，类型推断是如何巧妙地驾驭这些复杂性的呢？答案在于，类型推断系统并不是孤立地工作，它会结合以下几个关键机制：
1. 基于赋值和函数调用的类型兼容性检查：
这是类型推断的基础。当我们在代码中进行赋值操作，例如 `BaseType variable = new SubType();`，类型推断系统会检查 `SubType` 是否能被安全地赋值给 `BaseType`。如果能，它就推断出 `variable` 的类型是 `BaseType`。
在泛型中，这种检查会延伸到泛型类型参数。例如，考虑一个简单的容器类型 `Container`。如果我们在一个函数中写 `Container dogs = new Container();`，并且 `Container` 的类型参数 `T` 是不变的，那么这个赋值就是不允许的，类型推断会报错。反之，如果 `Container` 的类型参数被声明为协变（通常通过 `out T` 这样的关键字表示），那么这个赋值就是合法的。
2. 引入类型变量和约束（Type Variables and Constraints）：
为了处理泛型中的协变和逆变，类型推断系统常常会引入类型变量。这些类型变量代表了在特定上下文中未知的具体类型。同时，我们会为这些类型变量添加约束，告诉推断器这些类型变量必须满足的条件。
假设我们有一个函数 `processCollection(Collection items)`。当调用 `processCollection(new List())` 时，类型推断会尝试推断 `T`。在这种情况下，最自然的推断是 `T` 是 `Dog`。
现在考虑一个更复杂的场景，我们有一个函数 `findFirst(List items)`，它返回列表的第一个元素。如果 `items` 是 `List`，那么推断 `T` 为 `Dog`，并返回 `Dog` 类型的值是直接的。
但如果函数是 `processAnimal(Animal animal)`，我们调用它时传递的是 `Dog` 对象，即 `processAnimal(new Dog())`。这里，类型推断系统知道 `Dog` 是 `Animal` 的子类。如果 `processAnimal` 是用于处理“哺乳动物”的，那么传递一个“狗”对象是完全没问题的，这体现了协变的概念。
3. 联合类型和最小共同超类型（Union Types and Least Common Supertype）：
在某些泛型场景下，类型推断需要考虑多个可能类型。例如，一个函数可能接收一个列表，这个列表的元素可以是“狗”或“猫”。在这种情况下，类型推断需要找到一个能够包容“狗”和“猫”的共同类型。
如果一个函数签名是 `processAnimals(List animals)`，并且我们传入了一个包含 `Dog` 和 `Cat` 对象的列表（虽然直接传递混合列表不太常见，但想象一下它的场景）。类型推断器会查找 `Dog` 和 `Cat` 的最小共同超类型，在这个例子中就是 `Mammal`（或者更通用一点的 `Animal`）。因此，类型推断可能会将 `T` 推断为 `Mammal`，并认为传入的列表的实际类型是 `List`（或者 `List`），尽管实际传入的是 `List` 和 `List`。
4. 显式类型标注和上下文推断：
虽然类型推断旨在减少手动标注，但它并非万能。当推断结果不明确或需要强制指定行为时，程序员可以通过显式类型标注来指导推断过程。例如，在 C 中，我们可以在泛型方法调用时指定类型参数：`myFunction(myDogList)`。
此外，类型推断还会利用上下文信息。例如，如果一个函数返回一个 `List`，并且我们将其赋值给一个 `List` 变量，那么类型推断会尝试找到一个既能满足返回类型，又能符合赋值目标类型的共同超类型。
5. 泛型类型参数的可变性声明（Variance Annotations）：
许多语言（如 C）在定义泛型类型时，允许开发者通过特定的关键字（如 `in` 表示逆变，`out` 表示协变）来明确指定泛型类型参数的可变性。
例如，对于一个接口 `IEnumerator`，`out T` 声明了 `T` 是协变的。这意味着，如果 `Dog` 是 `Animal` 的子类，那么 `IEnumerator` 可以被当作 `IEnumerator` 使用。类型推断在解析 `foreach` 循环或 LINQ 查询时，能够利用这些可变性声明来做出正确的类型推断，确保类型安全。
同样，对于一个接收者接口 `Action`，`in T` 声明了 `T` 是逆变的。这意味着，如果 `Dog` 是 `Animal` 的子类，那么 `Action` 可以被当作 `Action` 使用。类型推断在处理事件订阅或回调时，会考虑这种逆变关系。
总结：
类型推断解决协变和逆变问题，并非依赖单一的魔法，而是通过一套协同工作的机制：
基础的类型兼容性检查：确保赋值和方法调用的合法性。
引入类型变量和约束：为未知类型设定规则，使得推断更加精确。
最小共同超类型查找：处理涉及多种类型的场景，找到一个包容性的类型。
利用上下文信息：从代码的整体结构中获取线索。
开发者提供的显式标注：作为最终的指导，弥补推断的局限。
泛型类型参数的可变性声明：让开发者明确告知类型系统其行为模式，从而指导推断。
通过这些精密的机制，类型推断系统能够在复杂的泛型和继承关系中，自动、安全地推断出最合适的类型，从而在保证类型安全的前提下，极大地提升了开发效率和代码的可读性。它就像一个勤恳的侦探，通过收集代码中的各种线索，最终锁定目标类型的真相，而无需开发者事事亲为。
首先，我们得明白协变和逆变到底是怎么一回事。想象一下，我们有一个表示“哺乳动物”的基类，以及一个派生类“狗”。
协变（Covariance）：允许我们将派生类型的实例传递给期望基类型实例的地方。举个例子，如果一个函数接受一个“哺乳动物”的列表，那么传入一个“狗”的列表应该是可以的，因为“狗”也是“哺乳动物”。在泛型语境下，如果一个类型构造器 `F` 是协变的，那么 `F
逆变（Contravariance）：允许我们将基类型实例传递给期望派生类型实例的地方。这听起来有点反直觉，但设想一下，如果一个函数接受一个“接受哺乳动物”的对象，那么传入一个“接受狗”的对象似乎是更安全的，因为“接受狗”的对象能处理所有“哺乳动物”，所以它自然也能处理“狗”。在泛型语境下，如果一个类型构造器 `F` 是逆变的，那么 `F
不变（Invariance）：介于两者之间，不允许任何形式的子类型替换。这意味着 `F
现在，类型推断是如何巧妙地驾驭这些复杂性的呢？答案在于，类型推断系统并不是孤立地工作，它会结合以下几个关键机制：
1. 基于赋值和函数调用的类型兼容性检查：
这是类型推断的基础。当我们在代码中进行赋值操作，例如 `BaseType variable = new SubType();`，类型推断系统会检查 `SubType` 是否能被安全地赋值给 `BaseType`。如果能，它就推断出 `variable` 的类型是 `BaseType`。
在泛型中，这种检查会延伸到泛型类型参数。例如，考虑一个简单的容器类型 `Container
2. 引入类型变量和约束（Type Variables and Constraints）：
为了处理泛型中的协变和逆变，类型推断系统常常会引入类型变量。这些类型变量代表了在特定上下文中未知的具体类型。同时，我们会为这些类型变量添加约束，告诉推断器这些类型变量必须满足的条件。
假设我们有一个函数 `processCollection
现在考虑一个更复杂的场景，我们有一个函数 `findFirst
但如果函数是 `processAnimal(Animal animal)`，我们调用它时传递的是 `Dog` 对象，即 `processAnimal(new Dog())`。这里，类型推断系统知道 `Dog` 是 `Animal` 的子类。如果 `processAnimal` 是用于处理“哺乳动物”的，那么传递一个“狗”对象是完全没问题的，这体现了协变的概念。
3. 联合类型和最小共同超类型（Union Types and Least Common Supertype）：
在某些泛型场景下，类型推断需要考虑多个可能类型。例如，一个函数可能接收一个列表，这个列表的元素可以是“狗”或“猫”。在这种情况下，类型推断需要找到一个能够包容“狗”和“猫”的共同类型。
如果一个函数签名是 `processAnimals
4. 显式类型标注和上下文推断：
虽然类型推断旨在减少手动标注，但它并非万能。当推断结果不明确或需要强制指定行为时，程序员可以通过显式类型标注来指导推断过程。例如，在 C 中，我们可以在泛型方法调用时指定类型参数：`myFunction
此外，类型推断还会利用上下文信息。例如，如果一个函数返回一个 `List
5. 泛型类型参数的可变性声明（Variance Annotations）：
许多语言（如 C）在定义泛型类型时，允许开发者通过特定的关键字（如 `in` 表示逆变，`out` 表示协变）来明确指定泛型类型参数的可变性。
例如，对于一个接口 `IEnumerator
同样，对于一个接收者接口 `Action
总结：
类型推断解决协变和逆变问题，并非依赖单一的魔法，而是通过一套协同工作的机制：
基础的类型兼容性检查：确保赋值和方法调用的合法性。
引入类型变量和约束：为未知类型设定规则，使得推断更加精确。
最小共同超类型查找：处理涉及多种类型的场景，找到一个包容性的类型。
利用上下文信息：从代码的整体结构中获取线索。
开发者提供的显式标注：作为最终的指导，弥补推断的局限。
泛型类型参数的可变性声明：让开发者明确告知类型系统其行为模式，从而指导推断。
通过这些精密的机制，类型推断系统能够在复杂的泛型和继承关系中，自动、安全地推断出最合适的类型，从而在保证类型安全的前提下，极大地提升了开发效率和代码的可读性。它就像一个勤恳的侦探，通过收集代码中的各种线索，最终锁定目标类型的真相，而无需开发者事事亲为。
网友意见
轮百万和 @Ivony 讲的都太简单，其实协变逆变本身和C#什么的没什么关系，理论上来说协变逆变可以搞得很完备很复杂，复杂到以绝大部分人的脑力不能很快看出两个类型之间有没有协变逆变的关系。假如你准备好了可以看这里：
Programming Languages by Dan Grossman at Coursera.org
Section 8其中一部分是在讲Subtyping，基于一种自定义的也是最基本的Record类型（即 { a: { b: t1, c: t2 }, d: t3 } 这种）怎么判断类型之间是否兼容。视频的话可以从“Subtyping From the Beginning”部分开始看，看到“Depth Subtyping”，也可以直接看Reading Notes。
当然之前说了，因为这个判断实在太复杂，所以在真正使用的时候语言基本都是做了限制的，例如C#中只对interface和delegate提供了协变逆变。
此外，实现时C#也根据.NET的特性进行了限制，就像 @Ivony 说的那样，C#支持协变逆变的原则是“IL代码完全一致”。这导致了一点就是，虽然struct类型也是可以赋值给object的，但是IEnumerable<int>不能赋值给IEnumerable<object>，因为在使用IEnumerable<int>时的代码和IEnumerable<object>不同，而IEnumerable<string>和IEnumerable<object>是完全相同的。
总之理论是一回事，实现是另一回事情，是要考虑到程序员是否可以接受以及实现起来是否方便的。另外假如有兴趣的话，可以试着写一段程序，基于代码里的Record类型判断两个Record是否兼容，对编程能力是挺好的锻炼。
C#的协变和逆变本质上就是通知编译器忽略没有必要的类型检查。
如果你看IL就会发现，对于：
((object) str).ToString();//str是string类型 和
((object) obj).ToString();//obj是object类型 或者
obj.ToString();//obj是object类型 这几个表达式生成的IL没有区别的，也就是说这里的类型转换其实没有真正的转换，仅仅只是确保调用的ToString方法是object声明的那个。
这也就是派生类对象可以直接当作基类对象使用无需额外的指令。
我当初问 @装配脑袋 C#是如何处理协变和逆变的时候，他说：不需要处理，假装那个对象是这个类型就好了。
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