貓的名單能不能當動物名單用？

假設你寫了一個印清單的方法，參數是 IEnumerable<object>，什麼都能印。你手上有一串貓的名字，型別是 List<string>，傳進去完全沒問題。

後來你把參數改成 List<object>，同一串名字就傳不進去了，編譯器直接畫紅線。string 明明是一種 object，為什麼一個可以、一個不行？

差別就在：這個型別讓不讓你往裡面放東西。

可以把泛型想成籠子。只能往外拿的籠子，貓籠拿來當動物籠沒問題；能往裡放的就不行，因為別人看到「動物籠」的標籤，可能會塞一隻狗進去。

下面都用同一套比喻：string 是貓、object 是動物、1（int）是狗。1 也是 object，但不是 string，就像狗是動物，但不是貓。

第一步：List<string> 為什麼不能當 List<object>

你早就知道 object o = "咪咪"; 沒問題，所以很自然會以為整個清單也能這樣換。

問題是清單不只能讀，還能 Add。假設編譯器放行，看看會發生什麼事：

1. cats 是貓的清單，裡面有「咪咪、小花」。
2. List<object> cage = cats;：同一個籠子貼了兩張標籤，cats 寫「貓」，cage 寫「動物」。
3. 從 cage 看，這是動物籠，所以 cage.Add(1) 完全合法，狗就這樣被塞進去了。
4. 拿 cats 的人以為裡面全是貓，cats[2] 卻拿到 1。

圖 A：如果放行，狗會從「動物」那張標籤被塞進貓籠（動畫依序點亮四步，點圖可放大）

所以 C# 在第 2 步就不讓你過。List<T> 的 T 是 invariant（不能換）：<> 裡寫什麼，就只能當什麼用。

能往裡放的籠子換上更大的標籤，等於讓別人有機會塞錯東西進來。

第二步：只往外拿，就可以換大標籤（out）

可是很多時候你只是要讀，像開頭那個印清單的方法，根本不會往裡面塞東西。連這種情況都擋掉，就太嚴格了。

這時就輪到 out。在 T 前面加 out，等於跟編譯器保證：T 只會出現在「往外給」的位置，例如回傳值。

• IEnumerable<out T>：只能一個一個往外拿，沒有 Add。從貓籠裡拿出來的一定是貓，貓當然是動物，所以 IEnumerable<object> look = cats; 可以。
• Func<out TResult>：回傳值也是往外給。一個會交出貓的方法，說它「會交出動物」也沒錯。

這個保證不是說說而已，編譯器會檢查。如果你在標了 out T 的介面裡寫 void Put(T item)，會直接編譯錯誤（練習 3 會看到）。

out 就是只出不進，所以 <貓> 可以當 <動物> 用。這就叫 covariance。

第三步：只往裡收，方向反過來（in）

有些型別剛好相反，只收不吐。例如 Action<T>：你給它一個值，它去做事，什麼都不回傳。

這種型別用的是 in：T 只出現在「往裡收」的位置，例如參數。能換的方向也剛好和 out 相反。

• Action<in T>：Action<object> print 什麼都能印，就像什麼動物都收的收容所。把它放到需要 Action<string> 的地方很安全，因為送進來的貓本來就是動物。反過來就不行：只會照顧貓的地方被當成什麼都收，就可能有人送狗進來，它應付不了。
• IComparer<in T>：比較器只接收兩個值、回傳一個 int。能比較任何 object 的比較器，拿來排 string 當然也行。

圖 B：看籠子開了哪個門，決定標籤能往哪邊換（點圖可放大）

整理一下：out 是 <貓> 可以當 <動物>；in 是 <動物> 可以當 <貓>；兩個方向都用到的，就必須一模一樣。Covariance 和 contravariance 講的就是這些。

第四步：陣列是例外，錯到執行時才爆

照第一步的道理，陣列能讀也能寫，string[] 不該能當 object[]。但 C# 從 1.0 起就允許，這叫 array covariance。

那放錯東西時誰來擋？陣列和泛型在這裡走了不同的路。

陣列的做法是在籠子門口站一個警衛：每次寫入，執行時都會檢查這個值符不符合陣列原本的型別，不符合就丟出 ArrayTypeMismatchException。

圖 C：陣列把檢查留到執行時，放錯要跑到那一行才爆（點圖可放大）

為什麼陣列要這樣？C# 編譯器團隊的 Eric Lippert 說明過：.NET 執行環境為了支援 Java 這類語言加了 array covariance，C# 也就跟著沿用。這樣做有兩個代價：

• 本來編譯器抓得到的錯，變成執行時才爆。
• 每次寫入都要多做一次檢查。

泛型介面和委派的 covariance、contravariance 是後來（C# 4）才加的，做法不一樣：編譯時就確保安全，不用靠警衛。

陣列是先放行，執行時再檢查；泛型只放行安全的方向，編譯時就檢查完。

兩個限制：只有介面和委派、只有參考型別

看到這裡，你可能會想把自己寫的 class 也標上 out，或讓 int 清單也支援 covariance。這兩件事都做不到：

• 只有介面和委派能標 in / out。class 不行，所以 List<T> 永遠是 invariant。要用 covariance，就改用它實作的介面，例如 IEnumerable<T>、IReadOnlyList<T>。
• 只有參考型別（class、string 這類，變數裡放的是地址，前篇講過）。IEnumerable<int> 不能當 IEnumerable<object>。

為什麼 int 不行？string 當 object 用，東西還是同一個，只是換張標籤。int 要變成 object 卻得裝箱，每個元素都要另外包一個盒子。Covariance 只會換標籤，不會幫你一個一個裝箱。

Covariance 和 contravariance 只是換標籤，所以只適用於介面、委派，以及 class、string 這類參考型別。

常見的坑

• 方法參數寫成 List<object>，別人就傳不進 List<string>。如果方法只會讀，參數就改成 IEnumerable<object> 或 IReadOnlyList<object>。
• 看到錯誤訊息寫「An explicit conversion exists」，別真的去加轉型。(IEnumerable<object>)nums 編譯會過，執行時卻會丟 InvalidCastException（實際跑過）。真的要轉，就自己一個一個轉：nums.Select(n => (object)n)。

動手做

先開一個練習資料夾：

mkdir lab && cd lab && dotnet new console

每個練習都把 Program.cs 整個換掉。先猜，再跑，再對答案。下面的輸出都是在 .NET 10 實際跑出來的。

object[] arr = new string[2];   // 編譯器放行
arr[0] = "咪咪";                 // OK：本來就是 string
Console.WriteLine("第一格放好了");
arr[1] = 1;                      // 1 是 object，但不是 string
Console.WriteLine("第二格也放好了");

第一格放好了
Unhandled exception. System.ArrayTypeMismatchException: Attempted to access an element as a type incompatible with the array.

var cats = new List<string> { "咪咪", "小花" };

IEnumerable<object> look = cats;   // 只能往外拿
foreach (var x in look) Console.WriteLine(x);

List<object> cage = cats;          // 能往裡放
cage.Add(1);

var nums = new List<int> { 1, 2 };
IEnumerable<object> boxed = nums;  // int 不是參考型別

Program.cs(6,21): error CS0029: Cannot implicitly convert type 'System.Collections.Generic.List<string>' to 'System.Collections.Generic.List<object>'
Program.cs(10,29): error CS0266: Cannot implicitly convert type 'System.Collections.Generic.List<int>' to 'System.Collections.Generic.IEnumerable<object>'. An explicit conversion exists (are you missing a cast?)

// out：只往外給，Func<string> 可以當 Func<object>
Func<string> getCat = () => "咪咪";
Func<object> getAny = getCat;
Console.WriteLine($"out：拿到 {getAny()}");

// in：只往裡收，Action<object> 可以當 Action<string>
Action<object> print = o => Console.WriteLine($"in：收到 {o}");
Action<string> printCat = print;
printCat("小花");

// in：會比任何 object 的比較器，也能拿來排 string
IComparer<object> byText = Comparer<object>.Create(
    (a, b) => string.CompareOrdinal(a.ToString(), b.ToString()));
IComparer<string> forCats = byText;
var names = new List<string> { "Tom", "Amy", "Leo" };
names.Sort(forCats);
Console.WriteLine("排好：" + string.Join(", ", names));

out：拿到 咪咪
in：收到 小花
排好：Amy, Leo, Tom

Console.WriteLine("hi");

interface ICage<out T>
{
    T Take();            // 往外給：OK
    void Put(T item);    // 往裡放：out 不准
}

Program.cs(6,14): error CS1961: Invalid variance: The type parameter 'T' must be contravariantly valid on 'ICage<T>.Put(T)'. 'T' is covariant.

✔ 過關標準

能不看筆記回答下面 4 題，這篇就過了。

1. IEnumerable<string> 可以當 IEnumerable<object>，List<string> 卻不能當 List<object>，差在哪？看答案收合

   差在能不能往裡放。

   • IEnumerable 只出不進（out T），拿出來的 string 一定是 object。
   • List 能 Add。如果放行，別人會照 List<object> 的標籤塞一個 1 進去，拿 string 的人就拿到 1（圖 A）。
2. 為什麼 Action<object> 能當 Action<string>，反過來卻不行？看答案收合

   Action 只往裡收（in T），方向和 out 相反。

   • 會處理任何 object 的方法，送 string 進去一定處理得了。
   • 只會處理 string 的方法，被當成 Action<object> 後可能收到 1，它處理不了。
3. object[] arr = new string[2]; arr[0] = 1; 為什麼編譯得過、執行才爆？泛型為什麼不這樣設計？看答案收合

   陣列從 C# 1.0 就允許 covariance，放錯靠執行時的檢查擋（ArrayTypeMismatchException）。

   • 這是 .NET 執行環境為支援 Java 類語言加的，代價是錯誤晚發現、每次寫入都要檢查。
   • 泛型的 covariance、contravariance 只放行安全的方向，在編譯時就擋掉。
4. 為什麼 IEnumerable<int> 不能當 IEnumerable<object>？自己寫的 class 能標 out 嗎？看答案收合

   Covariance 只換標籤，int 變 object 要裝箱，不是換標籤；class 不能標。

   • in / out 只能用在介面和委派，而且只對參考型別有效。
   • int 要轉就自己做：nums.Select(n => (object)n)。

參考來源

• Microsoft Learn — Covariance and Contravariance in Generics（invariance／covariance／contravariance 定義、只限介面與委派、只限參考型別、內建 variant 型別清單）
• Microsoft Learn — Covariance and Contravariance (C#)（IEnumerable、Action 範例；array covariance 不是型別安全）
• C# 語言規格 §19.2.3 Variant type parameter lists（in / out 只能用在介面與委派、variance safety、需要參考轉換）
• C# 語言規格 §17.6 Array covariance（寫入時的執行期檢查、ArrayTypeMismatchException、不適用實值型別）
• Eric Lippert — Array Covariance（Microsoft Learn 封存部落格）（array covariance 為何存在：CLR 為支援 Java 類語言）
• Go FAQ（Go 泛型沒有 covariance／contravariance；[]T 不能直接轉 []interface{}）