Ковариантность, контравариантность в PHP

Ковариантность и контравариантность — это концепции, связанные с типизацией данных и описывают совместимость типов по отношению друг к другу. Это механизм типо-безопасности при полиморфизме (разных реализации одного контракта/интерфейса).

• Ковариантность — "сужает" тип - позволяет использовать более конкретный тип, чем тот, который определен в родительском классе - уточняет тип возвращаемого значения.

• Контравариантность — "расширять" тип - наоборот, позволяет использовать более общий тип. Снижает требования для входных параметров.

Пример ковариантности:

class Parent {
	public function method(): int|float {}
}

// Правильно: Ковариантность соблюдена
class Child extends Parent {
	public function method(): int {}
}

// Неправильно: Ковариантность нарушена
class Child extends Parent {
	public function method(): string {} // FATAL ERROR !!!
}

Пример контравариантности:

class Parent {
	public function method( int|float $param ) {}
}

// Правильно: Контравариантность соблюдена
class Child extends Parent {
	public function method( int|float|string $param ) {}
}

// Неправильно: Контравариантность нарушена
class Child extends Parent {
	public function method( int $param ) {} // FATAL ERROR !!!
}

Правила ковариантности и контравариантности в PHP

Правила ковариантности и контравариантности в PHP накладывают ограничения на использования в коде одного типа данных вместо другого. Т.е. эти правила определяют, как типы данных возвращаемых значений и принимаемых параметров методов могут меняться в подклассах.

Когда класс использует метод интерфейса или переопределяет метод, который уже был определен в родительском классе, переопределяемый метод должен соответствовать правилам вариантности, иначе код выдаст фатальную ошибку.

Другими словами, переопределяемый метод должен быть совместим с методом, который был определен ранее.

Эти понятия напрямую связаны с одним из принципов SOLID: LSP (принцип подстановки Барбары Лисков). Согласно этому принципу мы должны использовать дочерние классы вместо базового, так чтобы дочерний класс умел делать все тоже что и базовый. Например, при перегрузке метода, новый метод должен уметь все тоже самое что и исходный метод (получать такие же параметры, возвращать совместимые данные/типы).

В ООП ковариантность и контравариантность напрямую связаны с концепцией "полиморфизма", так как позволяет использовать объекты разных подтипов вместо объектов базового типа, что является одним из принципов полиморфизма - разные реализации одного контракта.

Для чего это нужно?

Хорошо типизированная программа делает код более надежным и предотвращая ошибки связанные с неверными типами данных.

Ограничения ковариантности нужны, чтобы мы могли использовать только дочерние классы вместо базового. Если нарушить это правило, то метод который раньше возвращал один тип данных, может вернуть то, с чем код работать не умеет. В результате может произойти что угодно. Когда мы не типизируем данные, это хорошо, если дальше по коду программа "упадет" с ошибкой. Но программа может продолжить работу, в результате код может работать неправильно и может привести к печальным последствиям.

Ограничения контравариантности нужны, чтобы мы обязательно получили типы данных с которыми умеет работать базовый метод - это гарантирует обратную совместимость. Если это правило будет нарушено, и где-то в коде вместо дочернего метода будет использоваться базовый метод, то в метод может прийти тип, с которым базовый метод работать не умеет и работа программы будет нарушена.

Ковариантность

Позволяет дочернему методу возвращать указанный или более конкретный тип, чем тип определенный в родительском методе.

Пример:

class Parent {
	public function method(): int|float|string { ... }
}

class Child extends Parent {
	public function method(): int { ... }
}

Пример:

class Parent {
	public function method(): Base { ... }
}

class Child extends Parent {
	public function method(): Child { ... }
}

Пример:

class Parent {
	public function method(): iterable { ... }
}

class Child extends Parent {
	public function method(): array { ... }
}

Типы считаются более конкретными в следующих случаях:

// Если удалено объединение типов
: int|float|string  >> : int

// Если добавлено пересечение типов
: Iterator          >> : Iterator & Countable

// Когда происходит изменение типа на под тип
: Base              >> : Child
: iterable          >> : array
: iterable          >> : Traversable

Если мы попытаемся расширить возвращаемый тип:

: int|float  >> : int|float|string|bool
: int|float  >> : mixed
: Iterator   >> : iterable

То мы получим предупреждение в IDE и фатальную ошибку в рантайме (при запуске кода).

class Father {
	public function method(): int {  }
}

class Child extends Father {
	public function method(): int|string {  }
}

// Compile Error:
// Declaration of Child::method(): string|int
// must be compatible with Father::method(): int

Контравариантность

Снижает требования для входных данных, позволяя расширять тип параметров метода. Контравариантность разрешает параметру метода быть более общим чем указано в родительском классе.

Пример:

class Parent {
	public function method( int|float $param ): void {}
}

class Child extends Parent {
	public function method( int|float|string $param ): void {}
}

Пример:

class Parent {
	public function method( Child $param ): void {}
}

class Child extends Parent {
	public function method( Base $param ): void {}
}

Пример:

class Parent {
	public function method( Traversable $param ): void {}
}

class Child extends Parent {
	public function method( iterable $param ): void {}
}

Дочерний метод должен принимать все те типы с которыми умеет работать родительский метод, а также может работать с дополнительными типами, если ему это необходимо.

Таким образом, дочерний метод может работать с тем, с чем не умеет работать родительский метод (контравариантность), но при этом возвращать он должен, обязательно то, что ожидается от родительского метода (ковариантность). Т.е. "наружу" метод ограничен родительским типом, а "внутрь" неограничен (расширяем).

Инвариантность

Инвариантность — ситуация, когда любое наследование запрещено и нужно использовать именно тот тип, который был указан. Т.е. нет возможности использовать другие варианты типа - только указанный.

Другими словами — это "константность", неизменность, постоянство, независимость от каких-либо условий. Например, скорость света инвариантна.

Инвариантность в PHP

PHP не предоставляет встроенной поддержки инвариантности на уровне языка.

Однако можно использовать различные техники и практики для обеспечения инвариантности в коде. Например, можно использовать проверки условий, чтобы обеспечить соблюдение инвариантности.

Видео