C# 特性復習之泛型

2019-11-17 03:56:10

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供稿：網友

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序員的喜愛。因此，在同為強類型語言平臺的.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臺的支持。不過雖然三種語言最終都提供了將類型參數化的功能，然而這個功能在三個平臺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，不過由于.Net和Java對類型安全和穩定性要求更高，它們對泛型的支持要稍微簡單，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序員們的爭論，不過最終普遍認為Java的偽泛型(擦拭法)要比.NET的JIT級別的真正的泛型性能要差(java仍然有裝箱，拆箱操作)。當然這些是后話，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以后以后支持在很多類型上使用泛型，包括類、結構、接口、委托和方法成員，在這些類型上使用泛型和在類上使用是一樣的。它甚至支持同一個接口但不同泛型類型的實現，這有點類似重載在類級別的實現。最后.NET允許你同時定義多個泛型類型。

     在泛型方法中的泛型類型基本跟在類中使用情況一樣，不過泛型方法有一個方便程序員的地方就是它的類型推斷功能，這意味著程序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數據         //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(?)包裹類的泛型類型，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用戶注意避免誤寫。e.g.

class Container<T, U>{  //編譯器會在這里發出警告  //告訴用戶這里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。關于協變和逆變的定義簡單來說就是泛型類型是否允許子類和父類之間轉換，這里不做詳細討論，讀者如果有興趣可以參考這篇文章。在.net 4.0以前是不支持協變和逆變的，這也讓我們的代碼有些時候實現起來很別扭。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)。

      首先我們定義兩個數據類型，IData和IOperation:

    interface IData{void method();}    interface IOperation<T> where T : IData{ void Run(T data);}
      然后我們分別定義不同類型的數據和操作類:

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);        }    }
     這里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，盡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中程序員將不會有這個煩惱了。

       3. 泛型不支持操作符。在C++中模板支持操作符，然而，由于操作符是靜態的并且是編譯時決定的(參看這篇文章)，因此作為運行時的泛型無法實現類型間的該項操作，雖然你可以通過接口來達到同樣功能，但方便的操作符終究無法在泛型中得到支持。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。

        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類型是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，然后直接對該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。

        最后，在泛型中有個關鍵字--default，顧名思義，它是在引用類型和值類型沒有初始化的時候提供默認值的。對引用類型默認值是null,值類型則是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范和準確。這也是同為強類型的C#比C++的模板更安全的一點。

       和類聲明繼承關系時一樣，泛型約束可以聲明多個接口和最多一個基類約束，并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系要求一樣。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>.最后，與我們在類聲明多個接口繼承關系一樣，泛型的約束間是AND而非OR關系，也就是說，如果你添加了多個約束，那么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來限定類型是值類型還是引用類型，不過由于基類約束已經表明了泛型類型是類還是結構，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構造函數，需要注意的是，new()約束必須放在所有約束的最后面。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()操作符實例化對象，然而在CIL對該對象的實例化仍然是通過反射來實現的，即T a=new T()相當于T a = System. Activator. CreateInstance<T>();這樣程序效率會有所降低。另一方面，目前new約束僅僅支持無參構造函數的約束，而無法支持用戶自定義參數的構造函數約束，雖然用戶可以自己通過工廠方法來傳遞參數，但終究不夠自由，這讓new()約束有時沒太大用武之地。

         約束不支持委托和枚舉類型，例如，你不能這樣定義:class ClassA<T> where T:Delegate. 這是由于委托和枚舉被認為是特殊的類，它無法被指定為類型參數。編譯器無法根據Delegate來完成編譯器的類型檢查。

     最后類型約束支持繼承，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序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，這樣反而會讓程序員不得不多添加一些重復的代碼，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中真正做到了平臺級別的支持，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元數據，CLR會根據需要生成其實際的類型。為避免裝箱和拆箱，值類型的泛型實現和引用類型的是不一樣的。下面我們來具體看看它們有和不同。

1. 值類型的泛型對象實例化

     第一次用值類型作為參數來構造泛型類型時，運行庫會創建專用泛型類型，將提供的參數代入到 MSIL 中的適合位置。對于每個用作參數的唯一值類型，都會創建一次專用C# 泛型類型。這種特定類型的泛型類其實就相當于包含特定值類型的本地代碼，它將對性能提升很有幫助。

2. 引用類型的泛型對象實例化

    對于引用類型,泛型的工作方式略有不同。第一次使用任何引用類型構造泛型類型時,運行庫會創建專用泛型類型。用對象引用(或者說指針更好)替換MSIL中的參數.然后,每次使用對象的引用作為參數來實例化。構造類型時，無論引用類型的詳細類型是什么，運行庫都會重用以前創建的泛型類型的專用版本。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序員的開發效率。更重要的是，C#的泛型比C++的模板使用更加安全，并且通過避免裝箱和拆箱操作來達到性能提升的目的。因此，我們很有必要掌握并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幫助。同時，也希望我寫的這些東西能對你有所幫助，那樣我也會很開心的。

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