C++中的协变与逆变是什么？C++函数指针与返回类型详解【类型系统】

C++仅在虚函数返回类型（指针/引用）中支持协变，禁止逆变；函数指针和模板参数均严格不变，需手动包装实现语义适配。

协变（covariance）和逆变（contravariance）在 C++ 中**不直接作为语言关键字存在**，而是描述类型转换关系的术语，主要体现在继承体系中指针/引用的转换行为、模板参数的类型适配，以及 虚函数重写时返回类型和异常规范的放宽规则。C++ 对协变支持有限且明确，对逆变基本不支持（尤其在函数参数上）。函数指针的类型匹配则严格遵循“形参类型精确一致 + 返回类型精确一致”，没有自动协变或逆变转换。

协变：只允许出现在返回类型中（且仅限指针/引用）

当派生类重写基类虚函数时，如果返回的是类类型的指针或引用，C++ 允许返回更“具体”的类型——只要它是原返回类型的派生类。这叫返回类型协变。

• 必须是虚函数重写（override），且原函数返回的是基类的指针或引用（如 Base* 或 Base&）
• 派生类函数可返回派生类的指针或引用（如 Derived* 或 Derived&），编译器认可这种转换安全
• 不能用于值类型（如 Base → Derived）、非指针/引用类型，也不能用于参数类型

例子：

class Base { virtual Base* clone() { return new Base; } };
class Derived : public Base {
  Derived* clone() override { return new Derived; } // ✅ 合法：Base* → Derived* 是协变
};

逆变：C++ 基本不支持，尤其禁止在函数参数中使用

逆变指“更通用的类型可替代更具体的类型”，典型如函数参数：若某处期待 Derived*，能否传入 Base*？答案是否定的——C++ 函数参数是不变的（invariant）。

• 派生类重写虚函数时，参数类型必须与基类完全一致；哪怕你把参数从 Derived* 改成 Base*，也不算重写，而是重载或编译错误
• 函数指针、std::function、lambda 捕获等场景，参数类型不进行向上转型（即无逆变）
• 这是为了保证类型安全：父类接口承诺“能处理任意 Derived*”，若子类只接受 Base*，就可能漏掉 Derived 特有行为，破坏 LSP（里氏替换原则）

函数指针的类型系统：严格不变（invariant）

C++ 中函数指针是完全类型化的：返回类型、每个参数的类型、const/volatile 限定符、调用约定（如 __cdecl）全部相同，才算同一类型。

• int(*)(double) 和 int(*)(float) 是不同类型，不可互转
• void(*)() 和 void(*)() const（成员函数）不兼容
• 即使 Derived* 可隐式转为 Base*，void(*)(Derived*) 也不能赋给 void(*)(Base*) —— 参数位置不协变也不逆变
• 返回类型同样严格：Base* (*)() 不能赋给 Derived* (*)()，除非是虚函数重写场景（此时靠协变规则特许）

模板与 std::function 中的“伪协变”需手动适配

像 std::function 无法直接绑定 void(Derived*) 类型的函数，但可通过 lambda 包装实现语义等价：

void handle_base(Base* b) { /* ... */ }
void handle_derived(Derived* d) { /* ... */ }

std::function f1 = handle_base; // ✅ 直接赋值
std::function f2 = [](Base* b) {
  if (auto d = dynamic_cast(b)) handle_derived(d);
}; // ✅ 手动桥接，非语言级协变

这不是编译器自动做的协变，而是程序员用运行时检查+包装实现的逻辑适配。

基本上就这些。C++ 的类型系统偏保守：只在虚函数返回类型上开放协变这一处“安全缺口”，其余地方坚持不变性，以确保静态可验证的安全。理解这点，就能避开很多“为什么不能转”的困惑。