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个人感觉协变(Covariance)与逆变(Contravariance)是 C# 4 中最难理解的一个特性了，因为 C# 4 用了一个非常直观的语法（in和out关键字），在很多情况下，这似乎很简单，in用于输入的参数，out用于输出的返回值，但事实上不完全如此，比如Method(Action<T> action)（会让人抓狂，一会再说）。这也是困扰了我相当久的问题，所以今天打算分享一下我自己的理解。
我们先引入一些记号，假设 T 和 U 是两个类型，那它们之间会有几种关系：
T < UT > UT = UT 和 U 无关
Animal和 Cat两个类型， Cat是 Animal的子类，那我们就记为 Animal > Cat或 Cat < Animal，可以理解为， Animal表示所有的动物，而 Cat只表示"猫"， Animal可以表示的范围比 Cat更广，所以 Animal > Cat。现在假设我们分别在 T 和 U 上应用一个操作，我们用 f 函数来表示这个操作，即应用了 f 以后，T 和 U 对应地变成 f(T) 和 f(U)。 协变：T < U，应用 f 操作后，f(T) < f(U)
逆变：T < U，应用 f 操作后，f(T) > f(U）
Cat，U 替换成 Animal，用大小关系来表示，即 Cat < Animal，然后把 f 操作替换为"数组化"，也就是说，应用了数组化操作后， Cat就成变 Cat[]， Animal就变成 Animal[]。 数组上的协变：Cat < Animal，所以 Cat[] < Animal[] Cat是 Animal的子类，即 Cat < Animal，那下面的语法是合法的： Cat cat = ...;Animal animal = cat;
也就是说，如果两个类型 T 和 U 满足 T < U，那么下面的代码是合法的：
T obj = ...;U u = obj;
前面我们说了，C# 从 1.0 开始就支持数组上的协变，也就是说，如果Cat < Animal，那么Cat[] < Animal[]就可以成立，那是不是意味着，我可以将一个Cat数组赋值给一个Animal数组呢？答案是确定的：
// 定义 Cat 数组
Cat[] cats = new[] { new Cat { Name = "Kitty" } }; // 将 Cat 数组赋值给 Animal 数组
Animal[] animals = cats;
Animal animal = new Person()这样的代码是没办法通过编译的（ Person类型和 Animal不兼容），C# 语言在设计上就在尽可能地避免类型不安全的发生，但可惜的是，数组上的协变不是类型安全的协变，我们可以通过一个例子来看： // 定义 Cat 数组
Cat[] cats = new[] { new Cat { Name = "Kitty" } }; // 将 Cat 数组赋值给 Animal 数组
Animal[] animals = cats;
// 修改 Animal 数组的第一个元素
animals[0] = new Tiger { Name = "Tiger Lei" }; Action<>上的协变就不被也永远不会被支持，试想一下，如果支持 Action<>操作的协变，那会是怎样？按前面说的，已知 Cat < Animal，若支持 Action<>操作上的协变，则有 Action<Cat> < Action<Animal>，那就意味着下面的代码是合法的： Actionmiao = cat => cat.Miao(); Action action = miao; action(new Tiger());
Action<>上的协变，则上面的代码可以通过编译，但很明显，最后一行在执行时会抛出一个运行时的异常，因为 Tiger虽然长得有那么点像猫，但人家可不会 Miao的叫啊。所以，C# 是不会允许这种情况发生的，所以上面的代码在实际中会编译错误（不管是哪个版本的编译器）。 Action<>上支持类型安全的协变，那可以支持类型安全的逆变吗？我们可以来试一下，已知 Cat < Animal，假设支持 Action<>操作的逆变，则有 Action<Cat> > Action<Animal>，那就意味着下面的代码是合法的： ActionsayHello = { it => Console.WriteLine(it.Name); };Action catSayHello = sayHello; catSayHello(new Cat());
sayHello这个委托永远都只会调用 Animal上的属性和方法，而我们永远都只会向 catSayHello传入 Cat或 Cat的子类。 sayHello既然可以处理 Animal，那一定可以处理 Cat，所以，上面的代码是类型安全的，也就是说， Action<>上的逆变是类型安全的。 Action<>上的逆变是类型安全的，但在 C# 4.0 之前，你没有办法在代码中使用这种逆变性，所以大家可能会发牢骚，把 Action<Animal>赋给 Action<Cat>明明是类型安全的，会什么编译器不让我通过！不过幸运的是，C# 4.0 开始，类型安全的协变和逆变都得到了支持，但要注意的是，我们在 C# 4.0 中谈到的对协变和逆变的支持，都是在"类型安全"的前提下，类型不安全的协变和逆变是不支持的，并且，我们谈的都是对泛型参数的协变性和逆变性的支持。 例如：
public interface IEnumerator{ T Current { get; }}public interface IEnumerable { IEnumerator GetEnumerator();}public delegate TResult Func ();
IEnumerator<T>、 IEnumerable<T>和 Func<T>中的T，都是处于"输出"的位置，所以 T是可以支持类型安全的协变的，我们可以试一下，已知 Cat < Animal，若支持 IEnumerable<>操作上的协变，则 IEnumerable<Cat> < IEnumerable<Animal>，那按照"小的"可以赋值给"大的"的原则： IEnumerablecats = ...; IEnumerable animals = cats;
// 接下来随便对 animals 怎么操作，都是类型安全的，强制类型转换除外 Func<T>，已知 Cat < Animal，那 Func<Cat> < Func<Animal>，因此： FuncfindCat = () => new Cat(); Func findAnimal = findCat;
Animal animal = findAnimal();
// 接下来不管怎么对 animal 操作，都是类型安全的，强制类型转换除外
例如：
public interface IComparer{ int Compare(T x, T y);}public delegate void Action (T obj);
IComparer<T>和Action<T>中的T都是处于输入的位置，所以它们的逆变性都是类型安全的。我们可以试一下，已知Cat < Animal，若支持IComparer<>操作上的逆变，则有IComparer<Cat> > IComparer<Animal>，也就意味着下面的代码是合法的：
ICompareranimalComparer = ...;IComparer catComparer = animalComparer;catComparer(new Cat(), new Cat());
animalComparer可以处理任意的动物 (Animal)，而我们只可能向catComparer传入Cat或Cat的子类，既然animalComparer可以处理任意的动物，那当然就可以处理任意的猫了，所以上面的代码是类型安全的。Action<>前面已举过例子，不再重复。
因此，我们可以得到一个大致的结论，如果泛型参数处于输出的位置，那它就可以支持类型安全的协变，若泛型参数处于输入的位置，就可以支持类型安全的逆变（不完全正确，后面再细说），这也就是为什么 C# 用out来表示对应的泛型参数支持协变，而用in来表示对应的泛型参数支持逆变。out和in显然比协变和逆变这样的术语来得通俗易懂，所以这也是 C# 设计团队的聪明之处。
如果说上面的内容都很好理解，那接下来的这个例子也许就会让人抓狂了。
前面说过，当泛型参数处于"输入"的位置时，它的逆变是类型安全的，这时只要在相应的泛型参数前加个in关键字，就可以让它支持逆变，C# 编译器就不会为难我们，但C# 编译器真的这么仁慈吗？
public interface IFoo{ }public interface IBar { void Method(IFoo foo);}
在IBar<T>中，T 是处于输入的位置，所以上面的代码理应会在 C# 4.0 的编译器下编译通过，但事实上，我们会得到一个编译错误。好吧，和前一节讲的不一样，这是为什么？要怎么做才能让它编译过过？
为简化问题，我们用X来代指 IFoo<T>，用X'来代指 IFoo<T'>（'没有特殊含义，如果不觉得太多字母迷乱双眼的话，也可以用Y啊A啊什么的），即：