В чем суть ковариантности и контравариантности делегатов?

class X
{
    public int Val;
}
class Y : X { }
//Этот делегат возвращает объект класса X и принимает объект класса Y в качестве аргумента
delegate X ChangeIt(Y obj);
class CoContraVariance
{
    //Этот метод возвращает объект класса X и имеет объект класса X в качестве параметра
    static X IncrA(X obj)
    {
        X temp = new X();
        temp.Val = obj.Val + 1;
        return temp;
    }
    //Этот метод возвращает объект класса Y и имеет объект класса Y в качестве параметра
    static Y IncrB(Y obj)
    {
        Y temp = new Y();
        temp.Val = obj.Val + 1;
        return temp;
    }
    static void Main()
    {
        Y Yob = new Y();
        ChangeIt change = IncrA;
        X Xob = change(Yob);
        Console.WriteLine("Xob: {0}", Xob.Val);
        change = IncrB;
        Yob = (Y)change(Yob);
        Console.WriteLine("Yob: {0}", Yob.Val);
        Console.ReadLine();
    }
}

Для начала, давайте глянем, что такое эта самая вариантность.

Пусть у нас есть два класса, Car и BMW. Очевидно, что BMW есть подкласс Car: каждая бэха является машиной.

Обычно при этом говорят так: «везде, где вы используете Car, можно использовать и BMW». Это на самом деле почти правда, но не совсем.

Пример: если у вас есть список машин, вы не можете вместо него использовать список BMW. Почему? А вот почему. Пускай вас есть List<BMW>, и вы используете его как список машин. Тогда, раз это список машин, в него можно добавить и Запорожец Lanos, правильно? Вот тут-то и начинаются проблемы. Если у вас в коде написано:

List<BMW> bmws = new List<BMW>();
List<Car> cars = bmws;   // поскольку список БМВ - это список машин
cars.Add(new Lanos());
BMW bmw = bmvs[0];       // ой.

Внимательно посмотрите на этот код и подумайте над ним: он иллюстрирует проблему. (И он не откомпилируется: язык C# спроектирован так, чтобы не приводить к проблемам.) Проблема с записью в список. Если мы в список добавим произвольную машину, будет очень плохо: мы сможем нарушить гарантии, которые даёт нам система типов!

Если бы у нас был список, доступный только на чтение, то проблем бы как раз не было:

IEnumerable<BMW> bmws = new List<BMW>() { new BMW() };
IEnumerable<Car> cars = bmws;   // а так можно
//cars.Add(new Lanos());    // <-- не скомпилируется

Итак, что у нас получается? Несмотря на то, что BMW — машина, список BMW уже не обязательно является списком машин. А вот список BMW, доступный лишь на чтение, таки является списком машин.

Есть?

Теперь назад к вариантности. Мы говорим о ковариантности в общем смысле, если что-то меняется аналогичным образом. В случае наследования классов: мы можем вместо Car использовать BMW, и точно так же мы можем вместо IEnumerable<Car> использовать IEnumerable<BMW>.

Окей, это было длинное вступление, теперь вернёмся к теме: ковариантность делегатов. Пусть у нас есть делегат, зависящий от типа Car. Поменяем в его определении Car на BMW, можно ли новый делегат использовать вместо старого?

Давайте рассуждать логически. Если у нас есть такой делегат:

public delegate Car Replace(Car original);

(он принимает на вход Car, и выдаёт другой экземпляр Car), то можно ли вместо него подставить функцию, описывающуюся делегатов такого вида:

public BMW MyReplace(BMW original) { ... }

? Разумеется, нет, потому что делегат может принимать на вход любую функцию, а наша функция хочет только BMW. Так что здесь ковариантности нету: такую функцию нельзя использовать там, где требуется данный делегат.

А вот если наш вариантный тип данных (то есть, Car) находится лишь в позиции возвращаемого типа:

public delegate Car Create();

то на его месте можно использовать функцию такого вида:

public BMW CreateBmw() { ... }

(если подходила любая машина, то BMW тоже подойдёт).

Это и есть ковариантность делегатов: там, где от вас в коде требуется делегат, вы можете вместо него предоставить ковариантный делегат.

Пример кода, использующий это:

// это функция, принимающая делегат:
Car PrepareCar(Create carCreator)
{
    Car car = carCreator();
    car.ManufacturingDate = DateTime.Now;
    car.Mileage = 0;
    return car;
}
// это функция, которая ковариантна Create: она возвращает не Car, а BMW
BMW BmwFactory()
{
    var bmw = new BMW();
    bmw.EnginePower = 400;
    return bmw;
}
// вы можете использовать эту функцию как аргумент PrepareCar
// хотя её сигнатура другая:
return PrepareCar(BmwFactory);

Контравариантность работает в другую сторону: там вы можете использовать делегат, работающий с базовым типом там, где ожидается делегат с производным типом. Такое работает для аргументов функций:

delegate double BmwTester(BMW bmw);
void TestAndPublish(BmwTester tester)
{
    var bmw = new BMW();
    double testResult = tester(bmw);
    PublishResult(testResult);
}
double UniversalTester(Car car)
{
    return 5.0;
}
// вы можете использовать UniversalTester, хотя у него и не совсем подходящая сигнатура
TestAndPublish(UniversalTester);

Это работает по тем же причинам, что и ковариантность: если тестеру подходит любой тип машины, то он сможет работать и с BMW тоже.

Каждый из параметров-типов обобщенного делегата или интерфейса должен быть помечен как ковариантный или контравариантный. Это не приводит ни к каким нежелательным последствиям, но позволит применять ваших делегатов в большем количестве сценариев и позволит вам осуществлять приведение типа переменной обобщенного делегата к тому же типу делегата с другим параметром-типом.

Параметры-типы могут быть:

• Инвариантными. Параметр-тип не может изменяться.
• Контравариантными. Параметр-тип может быть преобразован от класса к
  классу, производному от него. В языке C# контравариантный тип
  обозначается ключевым словом in. Контравариантный параметр-тип
  может появляться только во входной позиции, например, в качестве
  аргументов метода.
• Ковариантными. Аргумент-тип может быть преобразован от класса к одному из его базовых классов. В языке С# ковариантный тип обозначается ключевым словом out. Ковариантный параметр обобщенного типа может появляться только в выходной позиции, например, в качестве возвращаемого значения метода.

Предположим, что существует следующий тип делегата:

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

Здесь параметр-тип T помечен словом in, делающим его контравариантным, а параметр-тип TResult помечен словом out, делающим его ковариантным. Пусть объявлена следующая переменная:

MyDelegate<Object, ArgumentException> fn1 = null; 

Ее можно привести к типу MyDelegate с другими параметрами-типами:

MyDelegate<String, Exception> fn2 = fn1; // Явного приведения типа не требуется 
Exception e = fn2(""); 

Это говорит о том, что fn1 ссылается на функцию, которая получает Object и возвращает ArgumentException. Переменная fn2 пытается сослаться на метод, который получает String и возвращает Exception. Так как мы можем передать String методу, которому требуется тип Object (тип String является производным от Object), а результат метода, возвращающего ArgumentException, может интерпретироваться как Exception (тип ArgumentException является производным от Exception), представленный здесь программный код откомпилируется, а на этапе компиляции будет сохранена безопасность типов.

Примечание Вариантность действует только в том случае, если компилятор сможет установить возможность преобразования ссылок между типами. Другими словами, вариантность неприменима для значимых типов из-за необходимости упаковки (boxing).