C# 之泛型詳解

什麼是泛型

       我們在編寫程式時，經常遇到兩個模組的功能非常相似，只是一個是處理int資料，另一個是處理string資料，或者其他自訂的資料類型，但我們沒有辦法，只能分別寫多個方法處理每個資料類型，因為方法的參數類型不同。有沒有一種辦法，在方法中傳入通用的資料類型，這樣不就可以合并代碼了嗎。泛型的出現就是專門解決這個問題的。讀完本篇文章，你會對泛型有更深的瞭解。

為什麼要使用泛型
為了瞭解這個問題，我們先看下面的代碼，代碼省略了一些內容，但功能是實現一個棧，這個棧只能處理int資料類型：

public class Stack

    {

        private int[] m_item;

        public int Pop(){...}

        public void Push(int item){...}

        public Stack(int i)

        {

            this.m_item = new int[i];

        }

}

上面代碼啟動並執行很好，但是，當我們需要一個棧來儲存string類型時，該怎麼辦呢。很多人都會想到把上面的代碼複製一份，把int改成string不就行了。當然，這樣做本身是沒有任何問題的，但一個優秀的程式是不會這樣做的，因為他想到若以後再需要long、Node類型的棧該怎樣做呢。還要再複製嗎。優秀的程式員會想到用一個通用的資料類型object來實現這個棧：

public class Stack

    {

        private object[] m_item;

        public object Pop(){...}

        public void Push(object item){...}

        public Stack(int i)

        {

            this.m_item = new[i];

        }

      

    }

這個棧寫的不錯，他非常靈活，可以接收任何資料類型，可以說是一勞永逸。但全面地講，也不是沒有缺陷的，主要表現在：

當Stack處理實值型別時，會出現裝箱、折箱操作，這將在託管堆上分配和回收大量的變數，若資料量大，則效能損失非常嚴重。 
在處理參考型別時，雖然沒有裝箱和折箱操作，但將用到資料類型的強制轉換操作，增加處理器的負擔。 
在資料類型的強制轉換上還有更嚴重的問題（假設stack是Stack的一個執行個體）：
Node1 x = new Node1();

            stack.Push(x);

         Node2 y = (Node2)stack.Pop();

上面的代碼在編譯時間是完全沒問題的，但由於Push了一個Node1類型的資料，但在Pop時卻要求轉換為Node2類型，這將出現程式運行時的類型轉換異常，但卻逃離了編譯器的檢查。

 

針對object類型棧的問題，我們引入泛型，他可以優雅地解決這些問題。泛型用用一個通過的資料類型T來代替object，在類執行個體化時指定T的類型，運行時（Runtime）自動編譯為本地代碼，運行效率和代碼品質都有很大提高，並且保證資料類型安全。

 

使用泛型
下面是用泛型來重寫上面的棧，用一個通用的資料類型T來作為一個預留位置，等待在執行個體化時用一個實際的類型來代替。讓我們來看看泛型的威力：

public class Stack<T>

    {

        private T[] m_item;

        public T Pop(){...}

        public void Push(T item){...}

        public Stack(int i)

        {

            this.m_item = new T[i];

        }

}

類的寫法不變，只是引入了通用資料類型T就可以適用於任何資料類型，並且型別安全的。這個類的調用方法：

//執行個體化只能儲存int類型的類

Stack<int> a = new Stack<int>(100);

      a.Push(10);

      a.Push("8888"); //這一行編譯不通過，因為類a只接收int類型的資料

      int x = a.Pop();

 

//執行個體化只能儲存string類型的類

Stack<string> b = new Stack<string>(100);

b.Push(10);    //這一行編譯不通過，因為類b只接收string類型的資料

      b.Push("8888");

string y = b.Pop();

 

這個類和object實現的類有截然不同的區別：

1.       他是型別安全的。執行個體化了int類型的棧，就不能處理string類型的資料，其他資料類型也一樣。

2.       無需裝箱和折箱。這個類在執行個體化時，按照所傳入的資料類型產生本地代碼，本地代碼資料類型已確定，所以無需裝箱和折箱。

3.       無需類型轉換。

 

泛型類執行個體化的理論
C#泛型類在編譯時間，先產生中間代碼IL，通用類型T只是一個預留位置。在執行個體化類時，根據使用者指定的資料類型代替T並由即時編譯器（JIT）產生本地代碼，這個本地代碼中已經使用了實際的資料類型，等同於用實際類型寫的類，所以不同的封閉類的本地代碼是不一樣的。按照這個原理，我們可以這樣認為：

泛型類的不同的封閉類是分別不同的資料類型。

例：Stack<int>和Stack<string>是兩個完全沒有任何關係的類，你可以把他看成類A和類B，這個解釋對泛型類的靜態成員的理解有很大協助。

 

泛型類中資料類型的約束
程式員在編寫泛型類時，總是會對通用資料類型T進行有意或無意地有假想，也就是說這個T一般來說是不能適應所有類型，但怎樣限制調用者傳入的資料類型呢。這就需要對傳入的資料類型進行約束，約束的方式是指定T的祖先，即繼承的介面或類。因為C#的單根繼承性，所以約束可以有多個介面，但最多隻能有一個類，並且類必須在介面之前。這時就用到了C#2.0的新增關鍵字：

public class Node<T, V> where T : Stack, IComparable

        where V: Stack

    {...}

以上的泛型類的約束表明，T必須是從Stack和IComparable繼承，V必須是Stack或從Stack繼承，否則將無法通過編譯器的類型檢查，編譯失敗。

通用類型T沒有特指，但因為C#中所有的類都是從object繼承來，所以他在類Node的編寫中只能調用object類的方法，這給程式的編寫造成了困難。比如你的類設計只需要支援兩種資料類型int和string，並且在類中需要對T類型的變數比較大小，但這些卻無法實現，因為object是沒有比較大小的方法的。 瞭解決這個問題，只需對T進行IComparable約束，這時在類Node裡就可以對T的執行個體執行CompareTo方法了。這個問題可以擴充到其他使用者自訂的資料類型。

如果在類Node裡需要對T重新進行執行個體化該怎麼辦呢。因為類Node中不知道類T到底有哪些建構函式。為瞭解決這個問題，需要用到new約束：

public class Node<T, V> where T : Stack, new()

        where V: IComparable

需要注意的是，new約束只能是無參數的，所以也要求相應的類Stack必須有一個無參建構函式，否則編譯失敗。

C#中資料類型有兩大類：參考型別和實值型別。參考型別如所有的類，實值型別一般是語言的最基本類型，如int, long, struct等，在泛型的約束中，我們也可以大範圍地限制類型T必須是參考型別或必須是實值型別，分別對應的關鍵字是class和struct:

public class Node<T, V> where T : class

        where V: struct

 

泛型方法
泛型不僅能作用在類上，也可單獨用在類的方法上，他可根據方法參數的類型自動適應各種參數，這樣的方法叫泛型方法。看下面的類：

public class Stack2

    {

        public void Push<T>(Stack<T> s, params T[] p)

        {

            foreach (T t in p)

            {

                s.Push(t);

            }

        }

}

原來的類Stack一次只能Push一個資料，這個類Stack2擴充了Stack的功能（當然也可以直接寫在Stack中），他可以一次把多個資料壓入Stack中。其中Push是一個泛型方法，這個方法的調用樣本如下：

Stack<int> x = new Stack<int>(100);

    Stack2 x2 = new Stack2();

    x2.Push(x, 1, 2, 3, 4, 6);

    string s = "";

    for (int i = 0; i < 5; i++)

    {

        s += x.Pop().ToString();

    }    //至此，s的值為64321

   

 

泛型中的靜態成員變數
在C#1.x中，我們知道類的靜態成員變數在不同的類執行個體間是共用的，並且他是通過類名訪問的。C#2.0中由於引進了泛型，導致靜態成員變數的機制出現了一些變化：靜態成員變數在相同封閉類間共用，不同的封閉類間不共用。

這也非常容易理解，因為不同的封閉類雖然有相同的類名稱，但由於分別傳入了不同的資料類型，他們是完全不同的類，比如：

Stack<int> a = new Stack<int>();

Stack<int> b = new Stack<int>();

Stack<long> c = new Stack<long>();

類執行個體a和b是同一類型，他們之間共用靜態成員變數，但類執行個體c卻是和a、b完全不同的類型，所以不能和a、b共用靜態成員變數。

泛型中的靜態建構函式
靜態建構函式的規則：只能有一個，且不能有參數，他只能被.NET運行時自動調用，而不能人工調用。

泛型中的靜態建構函式的原理和非泛型類是一樣的，只需把泛型中的不同的封閉類理解為不同的類即可。以下兩種情況可激發靜態建構函式：

1.       特定的封閉類第一次被執行個體化。

2.       特定封閉類中任一靜態成員變數被調用。

 

泛型類中的方法重載
方法的重載在.Net Framework中被大量應用，他要求重載具有不同的簽名。在泛型類中，由於通用類型T在類編寫時並不確定，所以在重載時有些注意事項，這些事項我們通過以下的例子說明：

public class Node<T, V>

    {

        public T add(T a, V b)          //第一個add

        {

            return a;

        }

        public T add(V a, T b)          //第二個add

        {

            return b;

        }

        public int add(int a, int b)    //第三個add

        {

            return a + b;

        }

}

上面的類很明顯，如果T和V都傳入int的話，三個add方法將具有同樣的簽名，但這個類仍然能通過編譯，是否會引起調用混淆將在這個類執行個體化和調用add方法時判斷。請看下面調用代碼：

Node<int, int> node = new Node<int, int>();

    object x = node.add(2, 11);

這個Node的執行個體化引起了三個add具有同樣的簽名，但卻能調用成功，因為他優先匹配了第三個add。但如果刪除了第三個add，上面的調用代碼則無法編譯通過，提示方法產生的混淆，因為運行時無法在第一個add和第二個add之間選擇。

Node<string, int> node = new Node<string, int>();

        object x = node.add(2, "11");

   這兩行調用代碼可正確編譯，因為傳入的string和int，使三個add具有不同的簽名，當然能找到唯一匹配的add方法。