协变与逆变

第一次接触 covariant(协变) 和 contravariant(逆变) 是在学习 Rust 的时候，然后就因为没看懂放弃了。直到最近有一次看到了这个术语，结合了 Kotlin 中的 covariant 和 contravariant ，逐渐理解了 Rust 中的 covariant 和 contravariant。下面我们从 Kotlin 中的 covariant 和 contravariant 入手，然后将其推广到 Rust 中。

现在我们有三个 class: Person、Student、Teacher，其中 Student、Teacher 均继承自 Person

open class Person(var age: Int = 1) {}

class Student(): Person() {}

class Teacher(): Person() {}

Covariant

如果一个类型 Child 是另一个类型 Parent 的子类型，那么对于 类型 T， T<Child> 也是 T<Parent> 的子类型， 我们就说T 在泛型参数上是 covariant 的即：如果 Child 是 Parent 的子类型，那么 T<Child> 也是 T<Parent> 的子类型

fun copy(from: Array<Person>, to: Array<Person>) { }

fun main() {
    var workers: Array<Student> = arrayOf<Student>(Student())
    var workerCollection: Array<Person> = Array<Person>(1){ Person() };
    copy(workers, workerCollection)
}

在 copy(from: Array<out Person>, to: Array<Person>) 这个例子中，我们接收两个参数，每个参数都是 Array<Person> 类型的，然后我们调用该方法是分别传入了 Array<Student> 和 Array<Person> 类型的参数。乍一看好像没什么问题，但是编译器会报错，因为编译器并不知道 Array 是 covariant 的，所以认为这是类型不安全的，这种情况我们称 Array 是 invariant 的。

注：Array 可以替换为 whatever 其他 invariant 类型

为了让 Array 是 covariant 的，在 Kotlin 中需要添加 out 标识。我们可以在 Array 类型中标识，也可以在方法声明中声明我们接收的泛型参数是 covariant，这里我们采用后者。

class Array<out T>
// or
fun copy(from: Array<out Person>, to: Array<out Person>) { }

现在我们来完善这个方法:

fun copy(from: Array<out Person>, to: Array<out Person>) {
    assert(from.size == to.size)
    for (i in from.indices) {
        // to[i] = from[i]  // compile error
    }
}

如果 from 的泛型参数为 Student，而 to 的泛型参数为 Person，就涉及到了将父类型赋值给子类型的可能，这是类型不安全的。我们甚至还可以这样调用:

    var workers: Array<Student> = arrayOf<Student>(Student())
    var workerCollection: Array<Teacher> = Array<Teacher>(1){ Teacher() };
    copy(workers, workerCollection)

这样调用是 OK 的，因为这符合 covariant 的规定。但是如果我们在 copy 中进行了写操作，那么就会爆炸💥，因为无法保证类型是安全的。所以 covariant 是只读的。

Contravariant

如果一个类型 Child 是另一个类型 Parent 的子类型，那么对于 类型 T， T<Parent> 是 T<Child> 的子类型， 我们就说T 在泛型参数上是 contravariant 的即：如果 Child 是 Parent 的子类型，那么 T<Parent> 是 T<Child> 的子类型

contravariant 可能有点反直觉，但是考虑这样一个函数：我们认为所有 Person 都可以是 Student，并且我们需要收集这些 Person。那么不管他是 Student 还是 Teacher，都应该被添加进来

fun collect(): Array<Student> {
    return arrayOf<Student>(Student())
}

fun collectContravariance(): Array< Student> {
    return arrayOf<Person>(Person())  // compile error
}

collect 可以正常工作，因为类型是匹配的。但是 collectContravariance 会报错💣，因为 Array 是 invariant，即既不是 contravariant 也不是 covariant 的。

为了让其正确工作，我们必须让其是 contravariant 的，因为我们可能会将 Person 父类型赋值给 Student 子类型

fun collectContravariance(): Array<in Student> {
    return arrayOf<Person>(Person())  // OK
}

我们甚至可以这样写:

fun collectContravariance(): Array<in Student> {
    return arrayOf<Person>(Teacher())  // OK
}

但是如果我们想要访问返回值的 age 属性，编译器就会报错💣，这说明 contravariant 是不可读的。

fun main() {
    var contravarianceStudents = collectContravariance()
    var students = collect()
    students[0].age = 1  // ok
    println(students[0].age)  // ok

    contravarianceStudents[0] = Student() // ok
    println(contravarianceStudents[0].age)  // compile error
}

但是我们仍然可以对其进行修改，说明 contravariant 是可写的。

Rust

你以为这样就完了吗？注意，我们上面的讨论都是基于 ”类型“ 进行讨论的，所以 covariant, invariant, contravariant 的概念适用于所有类型，甚至也适用于非类型。

在 the essennce of algol 里面，一个 variable 被拆分为 "读" 和 "写" 两个部分，其中 "读" 的部分是 covariant，”写“的部分是 contravariant，可读可写的则是 invariant。

现在我们来看看 Rust 中是如何相关概念的

在 死灵书中有如下几个定义：

• Subtyping is the idea that one type can be used in place of another.
• the set of requirements that Super defines are completely satisfied by Sub.
• 'a defines a region of code
• 'long <: 'short if and only if 'long defines a region of code that completely contains 'short

我们可以看到，Rust 中的生命周期也符合 covariant, invariant, contravariant 的概念，不过与直觉不同的是，生命周期长的类型是生命周期短的类型的子类型

long
 |-  short  shorter
 |    |-     _
 |    |_     |_
 |_
 long <: short <: shorter

在 class 中试图将 父类型赋值给子类型是危险的，与此类似，试图扩张生命周期是危险的（比如将 short 扩张为 long，这个行为是危险的）。

下面是 Rust 中 泛型类型与 variance 之间的关系

&'a T 对于 'a 和 T 都是 covariant 的，这很好理解，因为它是只读的。所以下面的代码是正确的(因为 &'static <: 'a 可以推导出 `&static str <: &'a str)

fn debug<'a>(a: &'a str, b: &'a str) {
    println!("a = {a:?} b = {b:?}");
}

fn main() {
    let hello: &'static str = "hello";
	{
	    let world =  String::from("world");
	    debug(hello, &world);
	}
}

需要注意的是 &'a mut T 对于 'a 是 covariant，对于 T 是 invariant 的。所以下面的代码是不正确的(因为 &'a mut T 对于 T 是 invariant 的，这意味着传入的参数必须与函数签名相同，即 &'world str)

fn assign<T>(input: &mut T, val: T) {
     *input = val;
}

fn main() {
    let mut hello: &'static str = "hello";
    {
        let world =  String::from("world");
        assign(&mut hello, &world);  // compile error
    }
    println!("{hello}"); // use after free 😿
}

我们改造一下:

fn main() {
    let mut hello: & str = "hello";
    {
        let mut world =  String::from("world");
        assign(&mut hello,  &world);
        println!("{hello}");
    }
    // println!("{hello}"); // use after free 😿
}

这次可以正确运行了。这是因为 &mut hello 的生命周期可以与 &world 相同，因为在 world 销毁后就没有使用 hello 的地方了。如果我们在最后一行使用了 hello，那么上述代码就会报错，因为 &'a mut T 对于 T 是 invariant 的，而 &'hello str 与 &'world str 类型不相同。

注意：生命周期并不与作用域等价，即生命周期可以与作用域相同，也可以与作用域不同

第二个需要注意的点是函数指针，就 fn(T) -> U 对 T 是 contravariant 的，对 U 是 covariant 的。