Vi algo do tipo nesta pergunta e sei que isso se relaciona de alguma forma com orientação a objetos.
O que são? Como afetam meu código, e como posso utilizá-las para codificar melhor?
Vi algo do tipo nesta pergunta e sei que isso se relaciona de alguma forma com orientação a objetos.
O que são? Como afetam meu código, e como posso utilizá-las para codificar melhor?
Em linguagens orientadas a objeto, se uma função ou variável espera receber um objeto de um tipo você não precisa passar a ela um objeto exatamente desse tipo: segundo o princípio da substituição de Liskov podemos passar qualquer outro objeto compatível que ele também serve. Por exemplo, se uma variável é do tipo Animal
, podemos atribuir a ela um objeto do tipo Cachorro
, já que os objetos cachorro implementam todos os métodos esperados pela interface da superclasse.
Animal a = new Cachorro("rex");
Até aqui tudo bem, mas o princípio de Liskov é uma descrição do comportamento das coisas e para descrever o sistema de tipos de forma mais rigorosa vamos precisar de regras concretas, que é onde vão aparecer a co- e a contra-variância.
O primeiro lugar onde aparece esse problema são os tipos dos métodos. Suponha que a interface Animal tenha um método foo
:
interface Animal {
Animal foo (Animal x);
}
As subclasses de foo
também tem que implementar esse método. Mas os tipos dos parâmetros e do valor do retorno precisam ser exatamente os mesmos?
//invariante - ok
class Cachorro1 implements Animal {
Animal foo (Animal x);
}
//parâmetro covariante - erro
class Cachorro2 implements Animal {
Cachorro foo(Cachorro x){ ... }
}
//retorno contravariante - erro
class Cachorro3 implements Animal {
Object foo(Object x){ ... }
}
//retorno covariante, parâmetro contravariante- ok
class Cachorro4 implements Animal {
Cachorro foo (Object x);
}
A versão 1 obviamente serve, já que o tipo do método foo
é exatamente o mesmo. Mas e a versão 2 e a 3? A classe Cachorro2
não obedece o princípio de Liskov devido ao tipo do parâmetro: esperamos poder passar qualquer Animal
como parâmetro de Foo, mas um objeto Cachorro2
não aceita Gatos como parâmetro, apenas outros Cachorros
. De forma parecida, a classe 3 quebra o princípio de substituição com o tipo de retorno: esperamos que foo
sempre nos retorne um Animal
, mas um objeto Cachorro3
pode nos retornar um outro Object
qualquer. Já a classe 4 não tem nenhum problema: ela é menos restrita no tipo do que ela aceita e não tem problema ser mais específico no tipo de retorno.
Resumindo, quando que um método é substituível por outro? Se tivermos dois tipos de função F = A -> B (função que recebe A e retorna B) e F' = A' -> B', então
F' <: F
se e somente se
(A <: A') e (B' <: B)
Repare que no tipo do parâmetro o A e o A' estão na ordem trocada em relação ao F e o F' enquanto no caso do tipo do retorno (B) eles estão na mesma ordem. O tipo do retorno varia na mesma direção do tipo do método (covariância) enquanto o tipo do parâmetro varia na direção oposta (contra-variância)
O outro lugar onde aparece a variância são nos tipos parametrizados, ou generics. E tivermos um tipo parametrizado como List
, e dois tipos A <: B, o que podemos dizer sobre os tipos List<A>
e List<B>
? Quem é subtipo de quem? Nesse caso a resposta depende do tipo parametrizado e a resposta do Maniero tem uns bons exemplos:
List<A>
é um tipo invariante em relação ao parâmetro A. Não importa se A < B: nem List<A>
vai ser subtipo de List<B>
nem vice versa.
Enumerable<A>
é covariante com o seu parâmetro A: se A <: B então um Enumerable<A>
<: Enumerable<B>
PrintAnimals<A>
é contravariante com seu parâmetro A: se A <: B então PrintAnimals<B>
<: PrintAnimals<A>
Por padrão, quando você criar um tipo parametrizado o compilador vai assumir que o seu tipo parametrizado é invariante em relação aos tipos parâmetro. Se você quiser que seu tipo seja covariante ou contravariante você precisa adicionar uma anotação junto com o parâmetro. Em Scala (a pergunta que você linkou) essa anotação é um +
ou -
e em C# (como os exemplos do Maniero) essa anotação é in
ou out
A variância se refere a como um tipo se relaciona com seus subtipos.
Vou usar exemplos em C# que é o que eu conheço.
Primeiro vamos à um exemplo de invariância:
IList<Animal> lista = new List<Dog>();
O que acontece se você tentar adicionar um elemento em lista
que seja do tipo Cat
? O compilador vai recusar. E faz bem já que esta lista só deveria aceitar Dog
s. Não há como garantir que a inclusão de um Cat
não vai causar problemas na lista
que está sendo tratada como uma lista de Animal
s.
Mas se sabemos que uma operação é segura em determinadas relações, podemos indicar que a operação é covariante. Um bom exemplo é uma enumeração. Você não pode mudar o tipo de uma enumeração, então pode permitir mais liberdade.
void PrintAnimals(IEnumerable<Animal> animals) {
for(var animal in animals)
Console.WriteLine(animal.Name);
}
IEnumerable<Cat> cats = new List<Cat> { new Cat("Tom") };
PrintAnimals(rats);
IEnumerable<Mouse> mouses = new List<Mouse> { new Mouse("Jerry") };
PrintAnimals(mouses);
O código de PrintAnimals
só pode funcionar porque IEnumarable
é covariante:
public interface IEnumerable <out T>: IEnumerable
{
IEnumerator<T> GetEnumerator();
}
Este out
é a indicação da covariância do tipo. Está dizendo que o tipo T
pode ser representado por um supertipo (um tipo mais geral) sem problemas. Esta declaração está indicando para o compilador que um IEnumerable
de um tipo mais específico, por exemplo IEnumerable<Cat>
pode ser tratado como um tipo mais genérico, por exemplo IEnumerable<Animal>
.
Obviamente isto é uma escolha consciente do desenvolvedor. Ele só deve fazer esta opção se tiver certeza que a operação não causará problemas.
Sem esta indicação de covariância o compilador impedirá a declaração de lista
acima.
A covariância indica que uma coleção de dados pode ter seus elementos referenciados pelos seus supertipos (tipos que ele possui por alguma forma de herança).
A contravariância faz a indicação inversa. Ela permite um tipo mais específico ser usado no lugar de um tipo mais geral. Exemplo para operações de comparação:
public interface IComparer<in T>
{
int Compare(T x, T y);
}
Neste caso o in
indica a contravariância e permite que o seguinte código seja válido:
void CompareCats(IComparer<Cat> comparer) {
var cat1 = new Cat("Tom");
var cat2 = new Cat("Frajola");
if (comparer.Compare(cat1, cat2) > 0)
Console.WriteLine("Tom é maior!");
}
IComparator<Animal> compareAnimals = new AnimalSizeComparator(); //sabe como comparar Animals
CompareCats(compareAnimals);
Coloquei no GitHub para referência futura.
Isto está dizendo que um objeto Animal
pode usar uma comparação de Cat
sem problemas. O resultado obtido será correto. Ou seja, um tipo mais geral pode se beneficiar de uma operação mais especializada adequadamente.
Com a utilização destas técnicas programas podem ser mais flexíveis e podem ser compilados mantendo a segurança de tipos. Sem uma certeza dada pelo desenvolvedor, o compilador vai sempre preferir considerar os tipos como invariantes.
O assunto é contra intuitivo por isso todo mundo acha confuso.
Vou tentar explicar do jeito que eu fixei esse assunto na minha mente... da forma mais intuitiva para mim, na esperança de que o assunto se torne o mais trivial e fácil o possível.
Em linguagens onde os tipos podem ser compostos via um parâmetro estático, a variância diz como o tipo composto varia de acordo com o tipo componente (é mais fácil entender com os exemplos! =D ).
Vou explicar usando C# pois é a linguagem que eu domino. Imagino que outras linguagens tenham conceitos parecidos. No C# só se aplica variância a interfaces e delegates genéricos, ou seja, que aceitam tipos como parâmetros (de forma estática).
Funciona assim:
interface IList<T> { ... }
Note que a interface IList
recebe um tipo por parâmetro denominado de T
. Isso é chamado de parâmetro genérico no C#.
Ao usar a interface podemos fazer a composição, como nesse exemplo:
IList<int> listaDeInteiros;
Covariância: suponha uma interface IS<T>
. IS
e T
são covariantes quando IS
varia junto com T
. Assim sendo isso é válido:
Animal a = (Girafa)g;
IS<Animal> ia = (IS<Girafa>)ig;
Contra-variância: suponha outra interface IE<T>
. IE
e T
são covariantes é quando IE
varia contrariamente a T
. Assim sendo isso é válido:
Animal a = (Girafa)g;
I<Girafa> ig = (I<Animal>)ia;
Uma questão que sobra é o que faz um tipo ser covariante ou contra-variante com relação ao seu parâmetro?
Ou melhor, que característica do tipo faz os exemplos acima serem verdadeiros?
Vou explicar usando as interfaces dos exemplos acima.
O uso de T
apenas como saída do tipo IS<T>
.
Por isso, no C#, se anota o parâmetro genérico com out
:
interface IS<out T> // T só poderá ser usado como saída
{
T LerValor(); // método que tem saída do tipo T
}
Vamos testar pra ver se vai dar problema:
IS<Animal> ia = (IS<Girafa>)ig;
Animal a = ia.LerValor(); // parece bom... IS<Girafa>.LerValor()
// retorna Girafa, que é um Animal.
// Beleza!
Em linguagem humana, algo que devolve somente girafas, pode ser tratado como algo que devolve animais.
O uso de T
apenas como entrada do tipo IE<T>
.
Por isso, no C#, se anota o parâmetro genérico com in
:
interface IE<in T> // T só poderá ser usado como entrada
{
void EscreveValor(T valor); // método cuja entrada é do tipo T
}
Vamos testar pra ver se vai dar problema:
IE<Girafa> ig = (IE<Animal>)ia;
ig.EscreveValor( (Girafa)g ); // parece bom... IE<Animal>.EscreveValor(x)
// recebe Animal, então se eu só puder passar
// Girafa tá de boa, pois Girafa é Animal.
// Beleza!
Em linguagem humana, algo que recebe animais, pode ser tratado como algo que recebe apenas girafas.
Fica mais fácil entender usando delegates neste caso.
Delegates são definições de funções... é uma assinatura de função, assim por dizer.
Vou definir eles assim:
delegate T DS<out T>(); // tipo de função que retorna um valor T
delegate void DE<in T>(T valor); // tipo de função que recebe o valor T
Vamos a algumas afirmações e alguns códigos para demonstrar:
A saída da saída é uma saída
DS<DS<Girafa>> ssg = () => () => new Girafa();
DS<DS<Animal>> ssa = ssg;
// vou receber uma girafa (como sendo um animal)
Animal a = ssa()();
A entrada da saída é uma entrada
DS<DE<Animal>> sea = () => a => Console.WriteLine(a);
DS<DE<Girafa>> seg = sea;
// vou passar uma girafa (mas o delegate sabe usar qualquer animal)
var g = new Girafa();
seg()(g);
A saída da entrada é uma entrada
DE<DS<Animal>> esa = sa => Console.WriteLine(sa());
DE<DS<Girafa>> esg = esa;
// vou passar uma girafa (mas o delegate sabe usar qualquer animal)
var g = new Girafa();
esg(() => g);
A entrada da entrada é uma saída
DE<DE<Girafa>> eeg = eg => eg(new Girafa());
DE<DE<Animal>> eea = eeg;
// vou receber uma girafa (através do delegate)
Animal a;
eea(a2 => a = a2);
Tentei fazer uma imagem para explicar, não sei se está confusa, se estiver me falem que eu mudo ou tiro ela.
Composições titânicas
Vamos a uns exemplos mais, digamos, complexos:
A entrada da saída da entrada da entrada... o que seria? Já respondo: é entrada.
DE<DE<DS<DE<Animal>>>> eeseg = null;
DE<DE<DS<DE<Girafa>>>> eesea = eeseg;
E a entrada da saída ^5 da entrada da saída da entrada da entrada... o que seria? Direto ao ponto: é saída.
DE<DE<DS<DE<DS<DS<DS<DS<DS<DE<Girafa>>>>>>>>>> eesessssseg = null;
DE<DE<DS<DE<DS<DS<DS<DS<DS<DE<Animal>>>>>>>>>> eesesssssea = eesessssseg;
É possível responder muito rápido a essas questões. Basta contar as entradas.
Número par de entradas é saída
Número ímpar de entradas é entrada
Mas e as saídas?
R: saídas não afetam em nada
A saída da saída ^10000: é saída pois tem número par de entradas (0 é par)
A saída ^100 da entrada da saída ^101: é entrada pois possui número ímpar de entradas (apenas 1 entrada)