1. 概述
本教程将深入探讨 Scala 中的变型（variance）机制。简单来说，变型描述的是类型构造器（type constructor）之间的子类型关系，它基于其绑定的具体类型之间的子类型关系来定义。
我们将介绍三种主要的变型形式：不变（invariance）、协变（covariance） 和 逆变（contravariance），并分析它们之间的区别。
2. 子类型与类型构造器
在任何编程语言中，类型（type） 都是用于告诉程序在运行时如何处理值的重要信息。子类型（subtyping） 则是在类型的基础上增加了一些约束。
对于简单的类型来说，子类型关系非常直观：
sealed trait Test
class UnitTest extends Test
class IntegrationTest extends UnitTest
class FunctionalTest extends IntegrationTest
在这个例子中：
FunctionalTest是IntegrationTest的子类型IntegrationTest是UnitTest的子类型
此外，许多编程语言也支持泛型类型（或称类型构造器）。类型构造器是一种机制，通过它我们可以基于已有的类型创建新的类型，并通过类型参数来绑定具体的类型。
比如，我们想表示对某个泛型类型 T 对象的测试结果，就可以使用类型构造器来建模：
class TestResult[T](id: String, target: T) {
// Class behavior
}
变型机制定义了类型构造器之间的子类型关系，这种关系是基于其类型参数的子类型关系推导出来的。换句话说，对于一个类型构造器 F[_]，如果 B 是 A 的子类型，那么变型描述了 F[B] 和 F[A] 之间的关系。
3. 变型的三种形式
变型有三种形式：协变（covariance）、逆变（contravariance） 和 不变（invariance）。下面我们逐一讲解。
3.1. 协变（Covariance）
协变是最容易理解的变型形式。我们说一个类型构造器 F[_] 是协变的，如果当 B 是 A 的子类型时，F[B] 也是 F[A] 的子类型。
在 Scala 中，我们使用 +T 的语法来声明一个协变类型参数。
继续使用前面的类型层次结构，假设我们要将多个测试组合成一个测试套件（suite）：
class TestsSuite[+T](tests: List[T])
我们声明了 TestsSuite 是协变的，因此 TestsSuite[IntegrationTest] 是 TestsSuite[Test] 的子类型。这意味着我们可以这样写：
val suite: TestsSuite[Test] = new TestsSuite[UnitTest](List(new UnitTest))
✅ 每当我们需要一个 TestsSuite[T] 类型的变量时，都可以用 TestsSuite[R] 类型的对象来赋值，只要 R 是 T 的子类型即可。
协变是类型安全的，因为它符合我们对子类型的基本理解：子类型的对象可以安全地赋值给父类型的变量。
如果我们去掉协变标记 +，编译器会报错：
type mismatch;
found : com.baeldung.scala.variance.Variance.TestsSuits[com.baeldung.scala.variance.Variance.UnitTest]
required: com.baeldung.scala.variance.Variance.TestsSuits[com.baeldung.scala.variance.Variance.Test]
Note: com.baeldung.scala.variance.Variance.UnitTest <: com.baeldung.scala.variance.Variance.Test, but class TestsSuits is invariant in type T.
You may wish to define T as +T instead. (SLS 4.5)
⚠️ Scala 标准库中有许多协变类型构造器，例如 List[T]、Option[T] 和 Try[T] 等。
3.2. 逆变（Contravariance）
逆变是协变的反面。我们说一个类型构造器 F[_] 是逆变的，如果当 B 是 A 的子类型时，F[A] 是 F[B] 的子类型。
在 Scala 中，我们使用 -T 的语法来声明一个逆变类型参数。
乍一看，逆变似乎有点反直觉。我们为什么需要它呢？来看一个例子：
class Person(val name: String)
class Employee(name: String, val salary: Int) extends Person(name)
class Manager(name: String, salary: Int, val manages: List[Employee]) extends Employee(name, salary)
我们定义一个测试断言类：
class Assert[-T](expr: T => Boolean) {
def assert(target: T): Boolean = expr(target)
}
这个类接受一个函数 expr，用于判断类型为 T 的对象是否满足某个条件。
我们可以创建多个断言：
val personAssert = new Assert[Person](p => p.name == "Alice")
val employeeAssert = new Assert[Employee](e => e.name == "Bob" && e.salary > 0)
val managerAssert = new Assert[Manager](m => m.manages.nonEmpty)
现在我们想组合多个断言执行：
trait Asserts[T] {
def asserts: List[Assert[T]]
def execute(target: T): Boolean =
asserts
.map(a => a.assert(target))
.reduce(_ && _)
}
定义一个针对 Employee 的断言组合：
class AssertsEmployee(val asserts: List[Assert[Employee]]) extends Asserts[Employee]
由于 Assert 是逆变的，Assert[Person] 是 Assert[Employee] 的子类型，因此我们可以把 personAssert 和 employeeAssert 放在一起：
val bob = new Employee("Bob", 50000)
val tester = new AssertsEmployee(List(personAssert, employeeAssert))
tester.execute(bob)
✅ 这样我们就可以用 Assert[Person] 来测试 Employee 对象，因为 Employee 包含了 Person 的所有属性。
如果我们去掉逆变标记 -，编译器会报错：
type mismatch;
found : com.baeldung.scala.variance.Variance.Assert[com.baeldung.scala.variance.Variance.Person]
required: com.baeldung.scala.variance.Variance.Assert[com.baeldung.scala.variance.Variance.Employee]
Note: com.baeldung.scala.variance.Variance.Person >: com.baeldung.scala.variance.Variance.Employee, but class Assert is invariant in type T.
You may wish to define T as -T instead. (SLS 4.5)
❌ 如果我们试图把 Assert[Manager] 放进 Assert[Employee] 的列表中，编译器也会报错，因为 Manager 是 Employee 的子类型，而逆变要求的是父类型可以替代子类型。
在 Scala 标准库中，最典型的逆变类型构造器是 Function1[-T1, +R]，表示一个接受类型为 T1 参数、返回类型为 R 的函数。
3.3. 不变（Invariance）
如果一个类型构造器既不是协变也不是逆变，那它就是不变的（invariant）。这意味着类型构造器不会保留其类型参数之间的子类型关系。
比如，如果我们去掉 Assert 类型参数的逆变标记：
class Assert[T](expr: T => Boolean) {
def assert(target: T): Boolean = expr(target)
}
然后尝试这样赋值：
val personAssert: Assert[Person] = new Assert[Employee](p => p.name == "Alice")
编译器会报错：
type mismatch;
found : com.baeldung.scala.variance.Variance.Assert[com.baeldung.scala.variance.Variance.Employee]
required: com.baeldung.scala.variance.Variance.Assert[com.baeldung.scala.variance.Variance.Person]
Note: com.baeldung.scala.variance.Variance.Employee <: com.baeldung.scala.variance.Variance.Person, but class Assert is invariant in type T.
You may wish to define T as +T instead. (SLS 4.5)
❌ 不变类型不允许在子类型和父类型之间进行类型替换。Java 和 C++ 中的泛型类型默认都是不变的。
4. 总结
本文介绍了类型构造器和变型的基本概念。从简单类型的子类型关系出发，我们展示了如何将这种关系扩展到泛型类型中，并引入了变型机制。
我们详细讲解了三种变型形式：
- ✅ 协变（+T）：用于类型作为输出（返回值）的场景
- ❌ 逆变（-T）：用于类型作为输入（方法参数）的场景
- ⚠️ 不变（T）：默认行为，不支持子类型替换
总的来说，当你使用泛型类型作为返回值时，应该使用协变；作为参数时，应该使用逆变。
本文的完整代码示例可以在 GitHub 上找到。