C# 特性複習-泛型

文章目錄

• 基本介紹
• 泛型約束
• 泛型內部實現
• 總結

泛型，.NET的這個特性相信大家都已經很熟悉了，提起泛型，不能不首先提到C++中的模板，C++中模板的引入大大提高了代碼的重用性，因此也得到了許多程式員的喜愛。因此，在同為強型別語言平台的.NET 2.0和Java 1.5中，它們也都不約而同的引入了泛型的對語言和平台的支援。不過雖然三種語言最終都提供了將型別參數化的功能，然而這個功能在三個平台或語言中的實現卻大大不同。相對來說，C++的模板功能是三者中最為強大的，不過由於.Net和Java對型別安全和穩定性要求更高，它們對泛型的支援要稍微簡單，不過即使如此，二者對泛型特性的實現也引起了兩個陣營中程式員們的爭論，不過最終普遍認為Java的偽泛型(擦拭法)要比.NET的JIT層級的真正的泛型效能要差(java仍然有裝箱，拆箱操作)。當然這些是後話，下面我們來看看.NET的泛型到底如何使用吧！

基本介紹

      .NET 2.0以後以後支援在很多類型上使用泛型，包括類、結構、介面、委託和方法成員，在這些類型上使用泛型和在類上使用是一樣的。它甚至支援同一個介面但不同泛型型別的實現，這有點類似重載在類層級的實現。最後.NET允許你同時定義多個泛型型別。

     在泛型方法中的泛型型別基本跟在類中使用方式一樣，不過泛型方法有一個方便程式員的地方就是它的類型推斷功能，這意味著程式員可以即能和使用普通方法一樣使用這些方法，同時又能享受泛型帶來的方便。e.g.

代碼

        static void Test<T, U>(T t, U u) { }
static void main()
        {//在函數中我們可以不用聲明參數類型，編譯器會自動根據實際資料
//自動推斷類型
            Test(10, "20");
            Test(1.1, 2.2);
        }

     下面我們來看看泛型在.NET中使用的一些需要注意的地方。

    1. 泛型在嵌套類中的使用。嵌套的子類會自動繼承(?)包裹類的泛型型別，當然，你也可以在嵌套類中覆蓋掉包裹類的類型，不過編譯器會在編譯的時候發出警告來提醒使用者注意避免誤寫。e.g.

class Container<T, U>
{
//編譯器會在這裡發出警告
//告訴使用者這裡的泛型和包裹類相同
  class Nested<U>
  {
void Method(T p0, U p1)                          
     {
     }
  }
}

    2. 協變和逆變的問題。關於協變和逆變的定義簡單來說就是泛型型別是否允許子類和父類之間轉換，這裡不做詳細討論，讀者如果有興趣可以參考這篇文章。在.net 4.0以前是不支援協變和逆變的，這也讓我們的代碼有些時候實現起來很彆扭。下面可以看個簡單的例子(注:這個例子僅作說明用，不一定恰當)。

      首先我們定義兩個資料類型，IData和IOperation:

    interface IData{void method();}
interface IOperation<T> where T : IData{ void Run(T data);}

      然後我們分別定義不同類型的資料和操作類:

代碼

class AddData : IData{
public int A1, A2;
public void method() { }

    }
class Add : IOperation<AddData>{
public void Run(AddData d)
        {
            Console.WriteLine(d.A1 + d.A2);
        }
    }
class ComplexData : IData{
public void method() { }
public int A1, A2, B1, B2;
    }
class ComplexAdd : IOperation<ComplexData>{
public void Run(ComplexData d)
        {
            Console.WriteLine("{0}+{1}i",d.A1 + d.A2,d.B1+d.B2);
        }
    }

     這裡如果能這樣使用我們認為應該是安全的：

    IOperation<IData> opr = new Add();
    opr.Run(data1);
    opr = new ComplexAdd();
    opr.Run(data2);

     然而這樣的代碼是無法通過編譯的，儘管我們知道它們的使用絕對安全的，因為AddData或ComplexData是IData的子類。幸運的是，在.Net4.0中程式員將不會有這個煩惱了。

       3. 泛型不支援操作符。在C++中模板支援操作符，然而，由於操作符是靜態並且是編譯時間決定的(參看這篇文章)，因此作為運行時的泛型無法實作類別型間的該項操作，雖然你可以通過介面來達到同樣功能，但方便的操作符終究無法在泛型中得到支援。這可以算是C#泛型的一個缺點，因為在很多時候它確實很有用。同樣的道理，由於特性是在編譯時間決定的，所以儘管你可以定義泛型的屬性類別，但你無法使用它，具體討論可參考這篇文章.e.g.

class MyGenericAttribute<T>:Attribute
{
}
[MyGeneric]
class MyClass
{
//這段代碼無法通過編譯
}

        4. 泛型的類型轉換問題。泛型無法從其他類型(object除外)直接強制轉換，這個時候如果需要將其他類型轉換為泛型對象時有兩種方式，一種是該泛型約束是class或基類，這時候可以通過as 操作符來轉換，如 return somevalue as T。但是有時候如果我們不知道該泛型的類型或者該泛型型別是struct該如何轉換呢？答案是通過兩次類型轉換，首先我們把待轉換對象轉換為object對象，然後直接對該object對象強制轉換為T,e.g. return (T)(object)someVar。具體例子你可以參考這篇文章。

        最後，在泛型中有個關鍵字--default，顧名思義，它是在參考型別和實值型別沒有初始化的時候提供預設值的。對參考型別預設值是null,實值型別則是0.

泛型約束

  如果.Net僅僅出現泛型而沒有泛型約束，我想泛型的功能一定會大打折扣的，正是有了泛型約束，才讓我們在操作這些類型更加規範和準確。這也是同為強型別的C#比C++的模板更安全的一點。

       和類聲明繼承關係時一樣，泛型約束可以聲明多個介面和最多一個基類約束，並且如果聲明了基類約束，類約束必須放在約束條件的首位，這和我們聲明類的繼承關係要求一樣。另外，聲明約束的類不能是密封類或某些特殊的結構(如Nullable<T>)，如我們不能聲明約束類為string或System.Nullable<T>.最後，與我們在類聲明多個介面繼承關係一樣，泛型的約束間是AND而非OR關係，也就是說，如果你添加了多個約束，那麼泛型使用必須滿足所有的約束條件。

     我們可以通過關鍵字class和struct來限定類型是實值型別還是參考型別，不過由於基類約束已經表明了泛型型別是類還是結構，所以我們不能同時將class或struct約束和基類(結構)約束一起使用，e.g.class ClassA<T>where T:BaseClass,class 是不允許的。另外一個需要注意的就是class和struct約束也必須在其他任何約束條件之前。

        另外一個值得注意的約束關鍵字是new(), new 關鍵字意味著泛型對象必須提供一個無參建構函式，需要注意的是，new()約束必須放在所有約束的最後面。這個約束有時會有用，不過有時看起來更像雞肋。首先，new()約束雖然表明你可以在類中對泛型對象使用new()操作符執行個體化對象，然而在CIL對該對象的執行個體化仍然是通過反射來實現的，即T a=new T()相當於T a = System. Activator. CreateInstance<T>();這樣程式效率會有所降低。另一方面，目前new約束僅僅支援無參建構函式的約束，而無法支援使用者自訂參數的建構函式約束，雖然使用者可以自己通過Factory 方法來傳遞參數，但終究不夠自由，這讓new()約束有時沒太大用武之地。

         約束不支援委託和枚舉類型，例如，你不能這樣定義:class ClassA<T> where T:Delegate. 這是由於委託和枚舉被認為是特殊的類，它無法被指定為型別參數。編譯器無法根據Delegate來完成編譯器的類型檢查。

     最後類型約束支援繼承，但同時你必須在子類定義泛型的時候再重新聲明一遍父類的所有約束。設計者的出發點是讓程式員能清楚子類中約束從何而來，減少疑惑。但從另外個角度來講，這樣反而會讓程式員不得不多添加一些重複的代碼，即使你已經知道它的約束條件都有哪些。

泛型內部實現

    泛型在.NET中真正做到了平台層級的支援，在C#中，泛型同樣是對象。事實上，編譯器會在編譯的時候將泛型參數轉換為特殊的中繼資料，CLR會根據需要產生其實際的類型。為避免裝箱和拆箱，實值型別的泛型實現和參考型別的是不一樣的。下面我們來具體看看它們有和不同。

1. 實值型別的泛型對象執行個體化

     第一次用實值型別作為參數來建構的泛型型別時，運行庫會建立專用泛型型別，將提供的參數代入到 MSIL 中的適合位置。對於每個用作參數的唯一實值型別，都會建立一次專用C# 泛型型別。這種特定類型的泛型類其實就相當於包含特定實值型別的本地代碼，它將對效能提升很有協助。

2. 參考型別的泛型對象執行個體化

    對於參考型別,泛型的工作方式略有不同。第一次使用任何參考型別建構的泛型型別時,運行庫會建立專用泛型型別。用對象引用(或者說指標更好)替換MSIL中的參數.然後,每次使用對象的引用作為參數來執行個體化。構造類型時，無論參考型別的詳細類型是什麼，運行庫都會重用以前建立的泛型型別的專用版本。之所以可以這樣, 是因為所有對象引用的大小相同 。

總結

    在.NET類庫中處處都可以看到泛型的身影，尤其是數組和集合中，泛型的存在也大大提高了程式員的開發效率。更重要的是，C#的泛型比C++的模板使用更加安全，並且通過避免裝箱和拆箱操作來達到效能提升的目的。因此，我們很有必要掌握並善用這個強大的語言特性。

 

參考書籍：

Essential C# 2.0 By Mark Michaelis July 13, 2006

 

附： 決定多寫博時間才不久，所以文章難免會有很多漏洞，如果您能指出，我想對我自己理清思路會很有協助。同時，也希望我寫的這些東西能對你有所協助，那樣我也會很開心的。