第1講：泛型程式設計

2005.8.10 李建忠

Agenda

C#泛型及機制

泛型型別

泛型方法

泛型約束

講座總結

 

C#泛型示範

我們也可以直接用object類型來做到，但是由於效能問題和型別安全問題，泛型還是一種更好的選擇方式。

泛型中的T就是泛型型別參數，它是一個晚綁定的類型，在C#編譯的時候並不確定T的類型。

 

C#泛型簡介

如果我們不把T替換成具體的int，它就是一個更高層次的抽象類別型，它不能被使用，必須經過泛型型別的執行個體化，成為一個具體的類型。

所謂泛型，即通過參數化型別來實現在同一份代碼上操作多種資料類型。泛型程式設計是一種編程範式，它利用“參數化型別”將類型抽象化，從而實現更為靈活的複用。

這其實是一種類型的多態。

C#泛型賦予了代碼更強的型別安全，更好的複用，更高的效率，更清晰的約束。

 

C#泛型機制簡介

C#泛型能力由CLR在運行時支援，區別於C++的編譯時間模板機制，和Java的編譯時間“搽拭法”。這使得泛型能力可以在各個支援CLR的語言之間進行無縫的互操作

C++所有的泛型的處理都是在編譯時間，在運行時將看不到泛型，只能看到具體的類型，因為它在編譯的時候已經把所有的泛型處理掉了。Java的泛型也不能獲得更高的效率，它背後還是用的object來表達。C#的泛型是運行時支援的泛型

C#泛型代碼在被編譯為IL代碼和中繼資料時，採用特殊的預留位置來表示泛型型別，並用專有的IL指令支援泛型操作。而真正的泛型執行個體化工作以"on-demand"（按需所取）的方式，發生在JIT編譯時間

 

泛型IL代碼與中繼資料

左邊的Stack是編譯出的泛型型別，T沒有被執行個體化，而右邊的void方法裡面就把泛型執行個體化了，只有執行個體化後的泛型才能調用newobj。

 

C#泛型編譯機制

第一輪編譯時間，編譯器只為Stack<T>類型產生“泛型版”的IL代碼與中繼資料——並不進行泛型型別的執行個體化，T在中間只充當預留位置

JIT編譯時間（只有用到的代碼會進行JIT編譯），當JIT編譯器第一次遇到Stack<int>時，將用int替換“泛型版”IL代碼與中繼資料中的T——進行泛型型別的執行個體化

這個類型是動態產生在於記憶體中的，如果第二次還是遇到Stack<int>，那麼就不需要再次執行個體化了，但如果是Stack<byte>，就又會新產生一個類型於記憶體中

CLR為所有型別參數為“參考型別”的泛型型別產生同一份代碼；但如果型別參數為“實值型別”，對每一個不同的“實值型別”，CLR將為其產生一份獨立的代碼

這其實類似於Java的搽拭法，參考型別本身不儲存變數的值，只儲存地址，它引用的只是儲存在託管堆中的對象。如果Stack的泛型型別是參考型別的話，它的類型始終就是一個記憶體位址的值，因為參考型別是確定了T佔多少位的，32位機器就佔32位，64位機器就佔64位，因此參考型別只用共用同一份代碼。採用搽拭法不會影響效率。（Java把實值型別也用搽拭法就會影響效率）

 

C#泛型的幾個特點

如果執行個體化泛型型別的參數相同，那麼JIT編譯器會重複使用該類型，因此C#的動態泛型能力避免了C++靜態模板可能導致的代碼膨脹的問題。

C#泛型型別攜帶有豐富的中繼資料，因此C#的泛型型別可以應用於強大的反射技術。

C#的泛型採用“基類，介面，構造器，實值型別/參考型別”的約束方式來實現對型別參數的“顯示約束”，提高了型別安全的同時，也喪失了C++模板基於“簽名”的隱式約束所具有的高靈活性。

 

C#泛型類與結構

C#除可單獨聲明泛型型別（包括類與結構）外，也可在基類中包含泛型型別的聲明。但基類如果是泛型類，它的型別參數要麼已執行個體化，要麼來源於子類（同樣是泛型型別）聲明的型別參數。

 

泛型型別的成員

泛型型別的成員可以使用泛型型別聲明中的型別參數。但型別參數如果沒有任何約束，則只能在該類型上使用從System.Object繼承的公有成員。

 

泛型介面

 

泛型委派

泛型委派支援在委託傳回值和參數上應用參數類型，這些參數類型同樣可以附帶合法的約束。

 

泛型方法簡介

C#泛型機制只支援“在方法聲明上包含型別參數”——即泛型方法。

C#泛型機制不支援在除方法外的其他成員（包括屬性、事件、索引器、構造器、析構器）的聲明上包含型別參數，但這些成員本身可以包含在泛型型別中，並使用泛型型別的型別參數。

泛型方法既可以包含在泛型型別中，也可以包含在非泛型型別中。

 

泛型方法的聲明與調用

Finder類不是泛型類，但是它帶了一個泛型方法，因為方法需要泛型參數。執行個體化泛型的時候，泛型參數放在方法後面，而不是類後面。

 

泛型方法的重載

 

泛型方法的重寫

重寫的時候約束會被預設繼承，想添加新的約束也是不可以的。

 

泛型約束簡介

C#泛型要求對“所有泛型型別或泛型方法的型別參數”的任何假定，都要基於“顯示的約束”，以維護C#所要求的型別安全。

“顯示約束”由where子句表達，可以指定“基類約束”，“介面約束”，“構造器約束”，“實值型別/參考型別約束”共四種約束。

“顯示約束”並非必須，如果沒有指定“顯示約束”，泛型型別參數將只能訪問System.Object類型中的公有方法。

因為C#把執行個體化放到了運行時，這不同於C++的模板，C++可以在編譯時間進行檢查約束。如果C#到JIT時才檢查，就會出現方法找不到等問題，因此C#提出這些約束要求與其動態執行個體化機制密切相關。

 

基類約束

 

介面約束

 

構造器約束

C#只支援無參的構造器。構造器約束主要是為了保證傳來的參數化型別有可能使用它的對象。

 

實值型別/參考型別約束

 

講座總結

C#的泛型能力由CLR在運行時支援，它既不同於C++在編譯時間所支援的靜態模板，也不同於Java在編譯器層面使用“搽拭法”支援的簡單的泛型。

C#的泛型支援包括類、結構、介面、委託共四種泛型支援，以及方法成員。

C#的泛型採用“基類，介面，構造器，實值型別/參考型別”的約束方式來實現對型別參數的“顯示約束”，它不支援C++模板那樣的基於簽名的隱式約束。

2010.10.26