Covariance กับ Contravariance (Draft)

ใน C# concept ที่เรียกว่า covariance และ contravariance ถูกใช้กับอะไรบ้าง

  • ใช้กับ array ในเวอร์ชัน 1.0
  • ใช้กับ delegate ในเวอร์ชั่น 2.0
  • ใช้กับ generic ในเวอร์ชั่น 4.0

Substitution

ก่อนจะรู้จักกับ covariance ต้องทำความเข้าใจกับหลักการ substitution ใน C# เสียก่อน

1
2
public class Animal { .. }
public class Cat: Animal { .. }

จาก class hierarchy จะเห็นว่า Animal เป็น supertype ของ Cat

1
2
Animal a = new Cat();    // ok
Cat b = new Animal();    // error

จากตัวอย่าง Animal เป็นเซ็ตที่ใหญ่กว่าตามหลัก substitution principle เราสามารถใช้ instance ของ Cat แทน instance ของ Animal ได้ แต่ไม่สามารถใช้ instance ของ Animal แทน Cat ให้นึกภาพว่า เราไม่สามารถนำกล่องที่ใหญ่มาใส่ในกล่องที่เล็กกว่านั่นเอง

Array

Array ที่มี element เป็น reference type ใน C# ถือว่าเป็น covariance

1
Animal[] animals = new Cat[10];

จากตัวอย่าง Animal[] compatible กับ Cat[] สามารถใช้ instance ของ Cat แทน Animal เราเรียกการ assign ค่าที่ type เล็กกว่าอยู่ด้านขวาของเครื่องหมาย = ว่า covariance

แต่ covariance ของ array เป็น covariance แบบไม่ safe เนื่องจากเราสามารถใส่ instance ของคลาสอื่นนอกเหนือจาก Cat แต่อยู่ hierarch ถัดจาก Animal ซึ่งจะทำให้เกิด ArrayTypeMismatchException ขณะรัน

1
2
// Attempted to access an element as a type incompatible with the array.
animals[0] = new Dog()

จากตัวอย่างจะเกิด error ขณะรัน เนื่องจาก backing store ของ array ถูกกำหนดให้เก็บ Cat ตั้งแต่ต้น จึงไม่สามารถเก็บ element ที่มี type อื่นได้ ถึงแม้จะเป็น subtype ของ Animal เหมือนกันก็ตาม

Covariance ใน array ถูก implement ตั้งแต่ C# 1.0 เพื่อให้เหมือนกับ Java ในขณะนั้น ถึงปัจจุบันปัญหา TypeMissMatch ก็ยังอยู่ ไม่สามารถตรวจสอบขณะ compile ได้

ใน C# รุ่นต่อมา มีการ implement covariance กับส่วนอื่น ซึ่งจะไม่มีปัญหาลักษณะนี้ เนื่องจากมีการออกแบบให้มีความปลอดภัยตั้งแต่ต้น

Method group

Covariance

1
2
Cat MakeCat() { ... }
Func<Animal> makeAnimal = MakeCat

Covariant จะทำให้ Func<Animal> compatible กับ MakeCat เนื่องจาก Animal ใหญ่กว่า Cat จำสามารถทำ implicit conversion

Contravaraince

ตัวอย่างนี้มีสอง method คือ ShowCat ที่รับ Cat เป็น parameter และ Animal ที่รับ Animal เป็น parameter

1
2
void ShowCat(Cat c) {}
void ShowAnimal(Animal c) {}

จากตัวอย่างเราสามารถ assign method ไปยัง delegate Action ได้ดังนี้

1
2
Action<Cat> action2 = ShowAnimal;   // legal
Action<Animal> action1 = ShowCat;   // illegal

จากหลัก substution principle Cat นั้นเล็กว่า Animal

  • บรรทัดแรก Action<Cat> compatible กับ ShowAnimal เนื่องจาก เราสามารถใช้ Cat แทน Animal ได้ ในตัวอย่างนี้ถึงแม้จะใช้หลัก substitution เหมือนเดิม แต่ทิศทางการ assign ค่าด้วยเครื่องหมาย = จะกลับข้างกัน เราเรียก operation ลักษณะนี้ว่า contravariance
  • บรรทัดที่สอง Action<Animal> ไม่สามารถใช้แทน ShowCat ได้ เนื่องจากจะผิดหลัก substitution เพราะว่า Animal ใหญ่กว่า Cat จึงไม่สามารถใช้ Animal แทน Cat นั่นเอง

Generic delegate

ใน C# 4.0 มีสิ่งที่เรียกว่า safe generic variant ที่ใช้ได้กับ interface และ delegate

1
public delegate TResult Func<in T, out TResult>(T arg);

จากตัวอย่าง เราสามารถประกาศ delegate ชื่อ Func ที่มี type parameter ตัวแรกเป็น contravariance T และมี type parameter ตัวที่สองเป็น covariance TResult

  • ใช้ keyword in เพื่อระบุว่า type parameter เป็น contravariance
  • ใช้ keyword out เพื่อระบุว่า type parameter เป็น variance

เรียกใช้งาน

1
2
Func<Animal, Cat> f1 = (x) => new Cat();
Func<Cat,Animal> f2 = f1;

Func<Animl,Cat> compatible กับ Func<Cat, Animal> เนื่องจากจาก type parameter ตัวแรกเป็น contravariance Cat ซึ่งเป็น type ที่เล็กกว่าจึงสามารถส่งเข้าไปในฟังก์ชั่นแทน Animal ส่วน type parameter ตัวที่สองเป็น covariance เราจึงใช้ Animal เพื่อรับค่าแทน Cat ที่ return มาจากฟังกํชั่นได้เช่นเดียวกัน

Links