分析 C# 2.0 新特性 — 範型（Generics)

分析 C# 2.0 新特性 -- 範型（Generics)
作者：梁振[MS-MVP]
 
範型是提高物件導向程式多態性設計衍生的。
１，C# 多態性設計回顧和展望
在引入範型這個概念之前，回顧一下1.0或1.1中關於的Object類型的定義：
Object類型是.NET Framework中System.Object的一個別名，可以分配任何類型給Object類型的變數。
通過object類型的引入，實現了.NET對於物件導向程式多態設計。
因為Object本身是一個參考型別，是存放在Heap(堆）上的。對於其他參考型別和Object轉換很容易實現。
而實值型別和Object類型轉換需要引入兩個用於object類型和實值型別轉換概念boxing和unboxing.
(1)boxing 裝包
  將轉換一個實值型別到Object類型，
  例如：int i = 1;            //儲存在棧上
        object o = (object) i;//儲存在堆上
  上面的代碼在IL中將會是box [mscorlib]System.Int32
　將Int32和1同時裝入一個Object對象中，結構如下：
　object[{Int32}-{1}];//前者表示boxing類型，後者表示其值
(2)unboxing 拆包
　將一個已裝包為Obect類型的實值型別轉換回實值型別
　操作分為兩部分組成：
　a,首先檢查是否轉換回的類型是裝包的類型，如果不是拋出一個InvalidCastException執行階段錯誤．
　b,複製Object類型中的值到目標實值型別變數；
　例如：
　　　int i = 1;
      object o = (object) i; //boxing
      int j = (int)o         //unboxing
      //double d = (double)o ,出現執行階段錯誤
　
通過上面的可以看到在.NET Framework 1.0 中使用object對象設計的多態性比C++的template(一種基於類似宏的編
譯時替換)執行效率增加了大量的copy的開銷。所以在.NET Framewrok 2.0中引入範型來提高高物件導向程式多態性
設計。

２，範型概念和特點：
範型的設計是為瞭解決上面提到過的Object的多態性設計中的兩個問題：
(1)，效能上面的，boxing和unboxing需要大量的複製開銷；
(2)，安全性上面的，在上面一個例子看到了如果unboxing類型不同會拋出一個InvalidCastException異常;
範型的設計格式是使用<和>封閉其中一個範型參數，例如：
public class Stack<T>;
範型的執行個體化格式是使用需要使用的類型替換<和>封閉其中一個範型參數,例如：
Stack<char> char_Stack = new Stack<char>();
多範型類定義格式，在<和>封閉多個範型參數，例如：
class Node<K,T>
對於C++程式員，看上面關於範型的格式很快聯絡到了ISO C++當中的Template;
的確兩者文法上面非常相似，但是兩者的多態性編譯和實現有很大不同．
在C++的Template編譯後，沒有編譯帶有Template的代碼．而是通過一種宏的方式進行的替換過程．
每次使用Template類型，編譯器都會產生一個對應的類型代碼．而不管是否個類型代碼已經使用過了．
在C#2.0中範型是在中繼語言(IL)和通用語言執行平台(CLR)支援的．
對於實值型別：會在JIT編譯時間候替換參數類型，如果存在以及編譯特定類型的機器代碼，將直接返回這段代碼．
這樣避免了在ISO C++中Template可能帶來代碼膨脹．
對於參考型別：會直接在JIT編譯時間候替換參數類型．
理解C# 2.0範型是在實現是基於CLR支援的很重要啊，因為.NET的本質是和語言無關的．任何語言最後都是編譯為中
間語言，這樣基於IL和CLR支援的範型可以運用到所有基於CLR實現的語言，例如：Visual Basic 2005等等．
３，範型和其他類型執行效率對比例子
下面分別是使用Int,Object和範型構造的３個棧的類
 /// <summary>
 /// Int類型實現的棧
 /// </summary>
 class IntStack
 {
  private int[] data;
  private int current;
  private int length;
  public IntStack(int Length)
  {
   length = Length;
   current = 0;
   data = new int[length];
  }
  public int Top()
  {
   return data[current - 1];
  }
  public void Push(int Data)
  {
   if (current < length)
   {
    data[current++] = Data;
   }
  }
  public void Pop()
  {
   if (current > 0)
   {
    current--;
   }
  }
 }
 /// <summary>
 /// 範型的棧
 /// </summary>
 /// <typeparam name="T">範型</typeparam>
 class TemplateStack<T>
 {
  private int length;
  private int current;
  private T[] data;
  public TemplateStack(int Length)
  {
   current = 0;
   length = Length;
   data = new T[length];
  }
  public T Top()
  {
   return data[current - 1];
  }
  public void Push(T Data)
  {
   if (current < length)
   {
    data[current++] = Data;
   }
  }
  public void Pop()
  {
   if (current > 0)
   {
    current--;
   }
  }
 }
 /// <summary>
 /// Object的棧
 /// </summary>
 class ObjectStack
 {
  private object[] data;
  private int current;
  private int length;
  public ObjectStack(int Length)
  {
   length = Length;
   current = 0;
   data = new object[length];
  }
  public object Top()
  {
   return data[current-1];
  }
  public void Push(object Data)
  {
   if (current < length)
   {
    data[current++] = Data;
   }
  }
  public void Pop()
  {
   if (current > 0)
   {
    current--;
   }
  }
 }
通過測試直接使用Int的棧和範型構造Int棧的開銷接近．
而比較前面兩個Object每增加一次unboxig開銷是增加的2倍．

４，附錄.NET 2.0 Framework 範型容器列表：
Comparer<T> 　　　　　Comparer  　比較
Dictionary<K,T>  　　 HashTable 　hash表
LinkedList<T>         LinkList  　鏈表
List<T>               ArrayList 　數組鏈表
Queue<T>              Queue 　　　隊列
SortedDictionary<K,T> SortedList　排序鏈表
Stack<T>              Stack 　　　棧
ICollection<T>  ICollection 　　　容器介面
IComparable<T>  System.IComparable比較介面
IDictionary<K,T>  IDictionary  　 字典介面
IEnumerable<T>  IEnumerable 　　　枚舉介面
IEnumerator<T>  IEnumerator 　　　跌代介面
IList<T>  IList 　　　　　　　　　鏈表介面
 
參考資料：
《Design and Implementation of Generics for the .NET Common Language Runtime》 
  ---Andrew Kennedy Don Syme (Microsoft Research, Cambridge, U.K.)
《An Introduction to C# Generics》
  ---Juval Lowy IDesign (MSDN Online)
《C# Programmer's Reference》
  ---MSDN Library  (MSDN Online)