c#泛型的使用[轉]

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在2005年底微軟公司正式發布了C# 2.0，與C# 1.x相比，新版本增加了很多新特性，其中最重要的是對泛型的支援。通過泛型，我們可以定義型別安全的資料結構，而無需使用實際的資料類型。這能顯著提高效能並得到更高品質的代碼。泛型並不是什麼新鮮的東西，他在功能上類似於C++的模板，模板多年前就已存在C++上了，並且在C++上有大量成熟應用。

　　本文討論泛型使用的一般問題，比如為什麼要使用泛型、泛型的編寫方法、泛型中資料類型的約束、泛型中靜態成員使用要注意的問題、泛型中方法重載的問、泛型方法等，通過這些使我們可以大致瞭解泛型並掌握泛型的一般應用，編寫出更簡單、通用、高效的應用系統。

 

　　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
    泛型是 2.0 版 C# 語言和公用語言運行庫 (CLR) 中的一個新功能。泛型將型別參數的概念引入 .NET Framework，型別參數使得設計如下類和方法成為可能：這些類和方法將一個或多個類型的指定延遲到用戶端代碼聲明並執行個體化該類或方法的時候。例如，通過使用泛型型別參數 T，您可以編寫其他用戶端代碼能夠使用的單個類，而不致引入運行時強制轉換或裝箱操作的成本或風險
　　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[] items;
private int count;
public Stack(int size)
{
     items = new int[size];
     count = 0;
}
　public void Push(int x)
{
     //為了代碼清晰及只簡單熟悉泛型因此不考慮堆棧時超出數組大小的情況
     items[count++]=x;
}
　public int Pop()
{
     //為了代碼清晰及只簡單熟悉泛型因此不考慮出棧時超出數組已為空白的情況
     return items[--count];
}
}

class Test
{
static void Main()
{
     Stack s = new Stack(10);
     s.Push(111);
     s.Push(222);
     Console.WriteLine(s.Pop()+s.Pop())
}
}

　　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[] items;
private int count;
public Stack(int size)
{
     items = new object[size];
     count = 0;
}
　public void Push(object x)
{
     items[count++]=x;
}
　public object Pop()
{
     return items[--count];
}
}

class Test
{
static void Main()
{
     Stack s = new Stack(10);
     s.Push("111");
     s.Push("222");
     Console.WriteLine((string)s.Pop()+(string)s.Pop())
}
}

　　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 n1 = new Node1();
stack.Push(n1);
Node2 n2 = (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[] items;
private int count;
public Stack(int size)
{
     items = new T[size];
     count = 0;
}
　public void Push(T x)
{
     items[count++]=x;
}
　public T Pop()
{
     return items[--count];
}
}

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

class Test
{
static void Main()
{
     Stack<int> s = new Stack<int>(10);
     s.Push(111);
     s.Push(222);
     Console.WriteLine(s.Pop()+s.Pop())
}
}

//執行個體化只能儲存string類型的類

class Test
{
static void Main()
{
     Stack<string> s = new Stack<string>(10);
     s.Push("111");
     s.Push("222");
     Console.WriteLine(s.Pop()+s.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。

 

　　泛型概述
1.使用泛型型別可以最大限度地重用代碼、保護類型的安全以及提高效能。
2.泛型最常見的用途是建立集合類。
3..NET Framework 類庫在 System.Collections.Generic 命名空間中包含幾個新的泛型集合類。應儘可能地使用這些類來代替普通的類，如 System.Collections 命名空間中的 ArrayList。
4.您可以建立自己的泛型介面、泛型類、泛型方法、泛型事件和泛型委派。
5.可以對泛型類進行約束以訪問特定資料類型的方法。
6.關於泛型資料類型中使用的類型的資訊可在運行時通過反射擷取。

//上面的樣本已簡單說明了泛型的特性如欲想深入瞭解可以看下面的理論及擴充知識
　　

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。

　　由以上樣本可知，C#的泛型是在執行個體的方法被調用時檢查重載是否產生混淆，而不是在泛型類本身編譯時間檢查。同時還得出一個重要原則：

　　當一般方法與泛型方法具有相同的簽名時，會覆蓋泛型方法。

 

　　泛型類的方法重寫

　　方法重寫（override）的主要問題是方法簽名的識別規則，在這一點上他與方法重載一樣，請參考泛型類的方法重載。

 

　　泛型的使用範圍

　　本文主要是在類中講述泛型，實際上，泛型還可以用在類方法、介面、結構（struct）、委託等上面使用，使用方法大致相同，就不再講述。

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