C# 泛型深入理解介紹

引言：

在上一個專題中介紹了C#2.0 中引入泛型的原因以及有了泛型後所帶來的好處，然而上一專題相當於是介紹了泛型的一些基本知識的，對於泛型的效能為什麼會比非泛型的效能高卻沒有給出理由，所以在這個專題就中將會介紹原因和一些關於泛型的其他知識。

一、泛型型別和型別參數

泛型型別和其他int,string一樣都是一種類型，泛型型別有兩種表現形式的：泛型型別（包括類、介面、委託和結構，但是沒有泛型枚舉的）和泛型方法。那什麼樣的類、介面、委託和方法才稱作泛型型別的呢 ？我的理解是類、介面、委託、結構或方法中有型別參數就是泛型型別，這樣就有型別參數的概念的。 型別參數 ——是一個真實類型的一個預留位置（我想到一個很形象的比喻的，比如大家在學校的時候，一到中午下課的時候食堂人特別多的，所以很多應該都有用書本佔位置的習慣的， 書本就相當於一個預留位置，真真坐在位置上的當然是自己的，講到佔位置，以前聽過我同學說，他們班有個很牛逼的MM，中午下完課的時候用手機佔位子的，等它打完飯回來的時候手機已經不見， 當時聽完我就和我同學說，你們班這位女生真牛逼的，後面我們就），泛型聲明中，型別參數必須放在一對角括弧裡面（即<>這個符號），並且用逗號分隔多個型別參數，如List<T>類中T就是型別參數，在使用泛型型別或方法的時候，我們要用真實類型來代替，就像用書本佔位子一個，書本只是暫時的在那個位置上，等打好飯了就要換成你坐在位置上了，同樣在C#中泛型也是同樣道理，型別參數只是暫時的在那個位置，真真使用中要用真實的類型去代替它的位置，此時我們把真實類型又取名為類型實參，如上一專題的代碼中List<int>，類型實參就是int(代替T的位置)。

如果沒有為型別參數提供類型實參，此時我們就聲明了一個未綁定的泛型型別，如果指定了類型實參，此時的類型就叫做已構造類型（這裡同樣可以以書佔位置去理解），然而已構造類型又可以是開放類型或封閉類型的，這裡先給出這個兩個概念的定義的：開放類型——具有型別參數的類型就是開放類型（所有的未綁定的泛型型別都屬於開放類型的），封閉類型——為每個型別參數都傳遞了實際的資料類型。對於開放類型，我們建立開放類型的執行個體。

注意:在C#代碼中，我們唯一可以看到未綁定泛型型別的地方（除了作為聲明之外）就是在typeof操作符裡。

下面通過以下代碼來更好的說明這點：複製代碼 代碼如下:using System;
using System.Collections.Generic;

namespace CloseTypeAndOpenType
{
// 聲明開放泛型型別
public sealed class DictionaryStringKey<T> : Dictionary<string, T>
{

}

public class Program
{
static void Main(string[] args)
{
object o = null;

// Dictionary<,>是一個開放類型，它有2個型別參數
Type t = typeof(Dictionary<,>);

// 建立開放類型的執行個體（建立失敗，出現異常）
o = CreateInstance(t);
Console.WriteLine();

// DictionaryStringKey<>也是一個開放類型，但它有1個型別參數
t = typeof(DictionaryStringKey<>);

// 建立該類型的執行個體（同樣會失敗，出現異常）
o = CreateInstance(t);
Console.WriteLine();

// DictionaryStringKey<int>是一個封閉類型
t = typeof(DictionaryStringKey<int>);

// 建立封閉類型的一個執行個體（成功）
o = CreateInstance(t);

Console.WriteLine("物件類型 = " + o.GetType());
Console.Read();
}

// 建立類型
private static object CreateInstance(Type t)
{
object o = null;
try
{
// 使用指定類型t的預設建構函式來建立該類型的執行個體
o = Activator.CreateInstance(t);
Console.WriteLine("已建立{0}的執行個體", t.ToString());
}
catch(Exception ex)
{
Console.WriteLine(ex.Message);
}

return o;
}
}
}

運行結果為（從結果中也可以看出開放類型不能建立該類型的一個執行個體，異常資訊中指出類型中包含泛型參數）：

二、泛型型別中的靜態欄位和靜態建構函式

首先執行個體欄位是屬於一個執行個體的，靜態欄位是從屬於它們聲明的類型，即如果在某個Myclass類中聲明了一個靜態欄位field,則不管建立Myclass的多少個執行個體，也不管從Myclass中派生出多少個執行個體，都只有一個Myclass.x欄位。然而每個封閉類型都有它自己的靜態欄位（使用類型實參時，實際上CLR會定義一個新的類型對象， 所以每個靜態欄位都是不一樣對象裡面的靜態欄位，所以才會每個都有各自的值） 通過以下代碼來更好說明下——每個封閉類型都有它自己的靜態欄位：

複製代碼 代碼如下:View Code

namespace GenericStaticFieldAndStaticFunction
{
// 泛型類，具有一個型別參數
public static class TypeWithStaticField<T>
{
public static string field;
public static void OutField()
{
Console.WriteLine(field+":"+typeof(T).Name);
}
}

// 非泛型類
public static class NoGenericTypeWithStaticField
{
public static string field;
public static void OutField()
{
Console.WriteLine(field);
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
// 使用類型實參時，實際上CLR會定義一個新的類型對象
// 所以每個靜態欄位都是不一樣對象裡面的靜態欄位，所以才會每個都有各自的值
// 對泛型型別類的靜態欄位賦值
TypeWithStaticField<int>.field = "一";
TypeWithStaticField<string>.field = "二";
TypeWithStaticField<Guid>.field = "三";

// 此時filed 值只會有一個值，每個賦值都是改變了原來的值
NoGenericTypeWithStaticField.field = "非泛型類靜態欄位一";
NoGenericTypeWithStaticField.field = "非泛型類靜態欄位二";
NoGenericTypeWithStaticField.field = "非泛型類靜態欄位三";

NoGenericTypeWithStaticField.OutField();

// 證明每個封閉類型都有一個靜態欄位
TypeWithStaticField<int>.OutField();
TypeWithStaticField<string>.OutField();
TypeWithStaticField<Guid>.OutField();
Console.Read();

}
}
}

運行結果：

同樣每個封閉類型都有一個靜態建構函式的，通過下面的代碼可以讓大家更加明白這點： 複製代碼 代碼如下:// 靜態建構函式的例子
public static class Outer<Tx>
{
// 嵌套類
public class Inner<Ty>
{
// 靜態建構函式
static Inner()
{
Console.WriteLine("Outer<{0}>.Inner<{1}>", typeof(Tx), typeof(Ty));
}

public static void Print()
{
}
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
#region 靜態函數的示範

// 靜態建構函式會運行多次
// 因為每個封閉類型都有單獨的一個靜態建構函式
Outer<int>.Inner<string>.Print();
Outer<int>.Inner<int>.Print();
Outer<string>.Inner<int>.Print();
Outer<string>.Inner<string>.Print();
Outer<object>.Inner<string>.Print();
Outer<object>.Inner<object>.Print();
Outer<string>.Inner<int>.Print();
Console.Read();
#endregion
}
}

運行結果：

從的運行結果可能會發現，我們代碼中7個需要輸出的，但是結果中只有6個結果輸出的，這是因為任何封閉類型的靜態建構函式只執行一次，最後一行的 Outer<string>.Inner<int>.Print();這行不會產生第7行輸出， 因為Outer<string>.Inner<int>.Print();的靜態建構函式在之前已經執行過的（第三行已經執行過了）。
三、編譯器如何解析泛型

　　在上一個專題中，我只是貼出了泛型與非泛型的比較結果來說明泛型具有高效能的好處，卻沒有給出具體導致泛型比非泛型效率高的原因，所以在這個部分來剖析下泛型效率的具體原因。

這裡先貼出上一個專題中說明泛型高效能好處的代碼，然後再查看IL代碼來說明泛型的高效能（針對泛型和非泛型，C#編譯器是如何解析為IL代碼的）： 複製代碼 代碼如下:using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;

namespace GeneralDemo
{
public class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();

// 非泛型數組
ArrayList arraylist = new ArrayList();

// 泛型數組
List<int> genericlist= new List<int>();

// 開始計時
stopwatch.Start();
for (int i = 1; i < 10000000; i++)
{
//genericlist.Add(i);
arraylist.Add(i);
}

// 結束計時
stopwatch.Stop();

// 輸出所用的時間
TimeSpan ts = stopwatch.Elapsed;
string elapsedTime = String.Format("{0:00}:{1:00}:{2:00}.{3:00}",
ts.Hours, ts.Minutes, ts.Seconds,
ts.Milliseconds/10);
Console.WriteLine("啟動並執行時間： " + elapsedTime);
Console.Read();
}
}
}

當使用非泛型的的ArrayList數組時，IL的代碼如下（這裡只是貼出了部分主要的中間代碼，具體的大家可以下載樣本源碼用IL反組譯工具查看的）： 複製代碼 代碼如下:IL_001f: ldloc.1
IL_0020: ldloc.3
IL_0021: box [mscorlib]System.Int32
IL_0026: callvirt instance int32 [mscorlib]System.Collections.ArrayList::Add(object)
IL_002b: pop
IL_002c: nop
IL_002d: ldloc.3
IL_002e: ldc.i4.1
IL_002f: add

在上面的IL代碼中，我用紅色的標記的代碼主要是在執行裝箱操作（裝箱過程肯定是要消耗的事件的吧， 就像生活中寄包裹一樣，封裝起來肯定是要花費一定的時間的， 裝箱操作同樣會，然而對於泛型型別就可以避免裝箱操作，下面會貼出使用泛型型別的IL代碼的）——這個操作也是影響非泛型的效能不如泛型型別的根本原因。然而為什麼使用ArrayList類型在調用Add方法來向數組添加元素之前要裝箱的呢？原因其實主要出在Add方法上的， 大家可以用Reflector反射工具查看ArrayList的Add方法定義，下面是一張Add方法原型的：

從上面可以看出，Add(objec value)需要接收object類型的參數，然而我們代碼中需要傳遞的是int實參，此時就需要會發生裝箱操作（實值型別int轉化為object參考型別,這個過程就是裝箱操作），這樣也就解釋了為什麼調用Add方法會執行裝箱操作的， 同時也就說明泛型的高效能的好處。

下面是使用泛型List<T>的IL代碼（從圖片中可以看出，使用泛型時，沒有執行裝箱的操作，這樣就少了裝箱的時間，這樣當然就啟動並執行快了，效能就好了。）：

四、小結

說到這裡本專題的內容也就介紹結束了，本專題主要是進一步介紹了泛型的其他內容的，由於篇幅的關於我將泛型的其他內容放在下一專題中，如果都在放在這個專題中內容會顯得非常多，這樣也不利於大家的消化和大家的閱讀，所以我在下一個專題中繼續介紹泛型的其他的一些內容。

下面先附上泛型專題中用到的所有Demo的原始碼：GeneralDemo_jb51.rar