浅谈C#泛型的用处

来源：互联网发布：深度linux deepin无线编辑：程序博客网时间：2024/05/18 01:34

为了了解这个问题，我们先看下面的代码，代码省略了一些内容，但功能是实现一个栈，这个栈只能处理int数据类型：

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];
}
}

上面代码运行的很好，但是，当我们需要一个栈来保存string类型时，该怎么办呢？很多人都会想到把上面的代码复制一份，把int改成string不就行了。当然，这样做本身是没有任何问题的，但一个优秀的程序是不会这样做的，因为他想到若以后再需要long、Node类型的栈该怎样做呢？还要再复制吗？优秀的程序员会想到用一个通用的数据类型object来实现这个栈：

public class Stack
{
private object[] m_item;
public object Pop(){...}
public void Push(object item){...}
public Stack(int i)
{
this.m_item = new[i];
}
}

这个栈写的不错，他非常灵活，可以接收任何数据类型，可以说是一劳永逸。但全面地讲，也不是没有缺陷的，主要表现在：

当Stack处理值类型时，会出现装箱、折箱操作，这将在托管堆上分配和回收大量的变量，若数据量大，则性能损失非常严重。

在处理引用类型时，虽然没有装箱和折箱操作，但将用到数据类型的强制转换操作，增加处理器的负担。

在数据类型的强制转换上还有更严重的问题（假设stack是Stack的一个实例）：

Node1 x = new Node1();
stack.Push(x);
Node2 y = (Node2)stack.Pop();

上面的代码在编译时是完全没问题的，但由于Push了一个Node1类型的数据，但在Pop时却要求转换为Node2类型，这将出现程序运行时的类型转换异常，但却逃离了编译器的检查。

针对object类型栈的问题，我们引入泛型，他可以优雅地解决这些问题。泛型用用一个通过的数据类型T来代替object，在类实例化时指定T的类型，运行时（Runtime）自动编译为本地代码，运行效率和代码质量都有很大提高，并且保证数据类型安全。

使用C#泛型

下面是用泛型来重写上面的栈，用一个通用的数据类型T来作为一个占位符，等待在实例化时用一个实际的类型来代替。让我们来看看泛型的威力：

public class Stack
{
private T[] m_item;
public T Pop(){...}
public void Push(T item){...}
public Stack(int i)
{
this.m_item = new T[i];
}
}

类的写法不变，只是引入了通用数据类型T就可以适用于任何数据类型，并且类型安全的。这个类的调用方法：

//实例化只能保存int类型的类
Stack a = new Stack(100);
a.Push(10);
a.Push("8888"); //这一行编译不通过，因为类a只接收int类型的数据
int x = a.Pop();
//实例化只能保存string类型的类
Stack b = new Stack(100);
b.Push(10); //这一行编译不通过，因为类b只接收string类型的数据
b.Push("8888");
string y = b.Pop();

这个类和object实现的类有截然不同的区别：

1. 他是类型安全的。实例化了int类型的栈，就不能处理string类型的数据，其他数据类型也一样。

2.无需装箱和折箱。这个类在实例化时，按照所传入的数据类型生成本地代码，本地代码数据类型已确定，所以无需装箱和折箱。

3. 无需类型转换。

理论知识：

所谓泛型：即通过参数化类型来实现在同一份代码上操作多种数据类型。泛型编程是一种编程范式，它利用“参数化类型”将类型抽象化，从而实现更为灵活的复用。

C#泛型赋予了代码更强的类型安全，更好的复用，更高的效率，更清晰的约束。

C#泛型能力由CLR在运行时支持，区别于C++的编译时模板机制，和java的编译时的“搽拭法”。这使得泛型能力可以在各个支持CLR的语言之间进行无缝的互操作。

C#泛型代码在被编译为IL和元数据时，采用特殊的占位符来表示泛型类型，并用专有的IL指令支持泛型操作。而真正的泛型实例化工作以“on-demand”的方式，发生在JIT编译时。

C#泛型编译机制如下：

第一轮编译时，编译器只为Stack类型产生“泛型版”的IL代码和元数据，并不进行泛型类型的实例化，T在中间只充当占位符。

JIT编译时，当JIT编译器第一次遇到Stack时，将用int类型替换“泛型版”IL代码与元数据中的T -- 进行泛型类型的实例化。

CLR为所有类型参数为“引用类型”的泛型类型产生同一份代码，但如果类型参数为“值类型”，对每一个不同的“值类型”，CLR将为其产生一份独立的代码。

C#泛型的几个特点

如果实例化泛型类型的参数相同，那么JIT编译器会重复使用该类型，因此C#的动态泛型能力避免了C++静态模板可能导致的代码膨胀的问题。

C#泛型类型携带有丰富的元数据，因此C#的泛型类型可以应用于强大的反射技术。

C#的泛型采用“基类、接口、构造器、值类型/引用类型”的约束方式来实现对类型参数的“显示约束”，提高了类型安全的同时，也丧失了C++模板基于“签名”的隐式约束所具有的高灵活性。

C#泛型类在编译时，先生成中间代码IL，通用类型T只是一个占位符。在实例化类时，根据用户指定的数据类型代替T并由即时编译器（JIT）生成本地代码，这个本地代码中已经使用了实际的数据类型，等同于用实际类型写的类，所以不同的封闭类的本地代码是不一样的。按照这个原理，我们可以这样认为：泛型类的不同的封闭类是分别不同的数据类型。

这样泛型不仅更加灵活，也同时将代码的简便和提高到一个层次！不用再为具体不同的重载方法写具体的代码了！

C# 泛型是开发工具库中的一个无价之宝。它们可以提高性能、类型安全和质量，减少重复性的编程任务，简化总体编程模型，而这一切都是通过优雅的、可读性强的语法完成的。尽管 C# 泛型的根基是 C++ 模板，但 C# 通过提供编译时安全和支持将泛型提高到了一个新水平。C# 利用了两阶段编译、元数据以及诸如约束和一般方法之类的创新性的概念。毫无疑问，C# 的将来版本将继续发展泛型，以便添加新的功能，并且将泛型扩展到诸如数据访问或本地化之类的其他 .NET Framework 领域。

当然，C#的泛型还很多应用，现在我还只是了解了它的机制和原理，在接下来的学习中我会系统得学习泛型所支持的抽象泛型，接口泛型，结构和委托等！
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　一种类型占位符，或称之为类型参数。我们知道在一个方法中，一个变量的值可以作为参数，但其实这个变量的类型本身也可以作为参数。泛型允许我们在调用的时候再指定这个类型参数是什么。在.net中，泛型能够给我们带来的两个明显好处是——类型安全和减少装箱、拆箱。

　　类型安全和装箱、拆箱

　　作为一种类型参数，泛型很容易给我们带来类型安全。而在以前，在.net1.1中我们要实现类型安全可以这样做：

//假设你有一个人员集合

public class Person{
　private string _name;
　public string Name
　{ get { return _name; }
　set { _name = value;}}
}

//假设你有一个人员集合

public class PersonCollection : IList
{
　...
　private ArrayList _Persons = new ArrayList();
　public Person this[int index]
　{ get { return (Person)_Persons[index]; } }

　public int Add(Person item)
　{ _Persons.Add(item);
　　return _Persons.Count - 1;}

　public void Remove(Person item)
　{ _Persons.Remove(item); }

　object IList.this[int index]
　{ get { return _Persons[index]; }
　set { _Persons[index] = (Person)value; }}

　int IList.Add(object item)
　{ return Add((Person)item); }

　void IList.Remove(object item)
　{ Remove((Person)item); }
　　...
}

　　上述代码主要采用了显性接口成员（explicit interface member implementation）技术，能够实现类型安全，但问题是：

　　·产生重复代码。假设你还有一个Dog类集合，其功能相同，但为了类型安全，你必须要Copy一份代码，这样便使程序重复代码增加，当面对变化的时候，更难维护。

public class DogCollection : IList
{
　...
　private ArrayList _Dogs = new ArrayList();
　public Dog this[int index]
　{ get { return (Dog)_Dogs[index]; } }

　public int Add(Dog item)
　{ _Dogs.Add(item);
　　return _Dogs.Count - 1;}

　public void Remove(Dog item)
　{ _Dogs.Remove(item); }

　object IList.this[int index]
　{ get { return _Dogs[index]; }
　set { _Dogs[index] = (Dog)value; }}

　int IList.Add(object item)
　{ return Add((Dog)item); }

　void IList.Remove(object item)
　{ Remove((Dog)item); }
　　...
}

　　如果在泛型中，要实现类型安全，你不需要拷贝任何代码，你仅仅需要这样做：

List<Person> persons = new List<Person>();
persons.Add(new Person());
Person person = persons[0];
List<Dog> dogs = new List<Dog>();
dogs.Add(new Dog());
Dog dog = dogs[0];

　　·对于值类型的对象还是需要额外的装箱、拆箱。其实对于传统的集合来说，只要其中的包含的内容涉及到值类型，就不可避免需要装箱、拆箱。请看下面的例子。

public class IntCollection : IList
{
　...
　private ArrayList _Ints = new ArrayList();
　public int this[int index]
　{ get { return (int)_Ints[index]; } }

　public int Add(int item)
　{ _Ints.Add(item);
　　return _Ints.Count - 1;}

　public void Remove(int item)
　{ _Ints.Remove(item); }
　　object IList.this[int index]
　　{ get { return _Ints[index]; }
　　set { _Ints[index] = (int)value; }}

　int IList.Add(object item)
　{ return Add((int)item); }

　void IList.Remove(object item)
　{ Remove((int)item); }
　　...
　}

　static void Main(string[] args)
　{ IntCollection ints = new IntCollection();
　　ints.Add(5); //装箱
　　int i = ints[0]; //拆箱
　}

　　少量装箱、拆箱对性能的影响不大，但是如果集合的数据量非常大，对性能还是有一定影响的。泛型能够避免对值类型的装箱、拆箱操作，您可以通过分析编译后的IL得到印证。

static void Main()

{
　List<int> ints = new List<int>();
　ints.Add(5); //不用装箱
　int i = ints[0]; //不用拆箱
}

　　泛型的实现

　　·泛型方法

static void Swap<T>(ref T a, ref T b)
{ Console.WriteLine("You sent the Swap() method a {0}",
　typeof(T));
　T temp;
　temp = a;
　a = b;
　b = temp;
}

　　·泛型类、结构

public class Point<T>
{
　private T _x;
　private T _y;
　public T X
　{ get { return _x; }
　　set { _x = value; }}

　public T Y
　{ get { return _y; }
　　set { _y = value; }}

　public override string ToString()
　{ return string.Format("[{0}, {1}]", _x, _y); }
}

　　泛型的Where

　　泛型的Where能够对类型参数作出限定。有以下几种方式。

　　·where T : struct 限制类型参数T必须继承自System.ValueType。
　　
　　·where T : class 限制类型参数T必须是引用类型，也就是不能继承自System.ValueType。

　　·where T : new() 限制类型参数T必须有一个缺省的构造函数

　　·where T : NameOfClass 限制类型参数T必须继承自某个类或实现某个接口。

　　以上这些限定可以组合使用，比如： public class Point<T> where T : class, IComparable, new()

　　泛型的机制

　　·机制：

　　C#泛型代码在被编译为IL代码和无数据时，采用特殊的占位符来表示泛型类型，并用专有的IL指令支持泛型操作。而真正的泛型实例化工作以"on-demand"的方式，发生在JIT编译时。

　　·编译机制：

　　1. 第一轮编译时，编译器只为Stack<T>(栈算法)类型产生“泛型版”的IL代码与元数据-----并不进行泛型类型的实例化，T在中间只充当占位符

　　2. JIT编译时，当JIT编译器第一次遇到Stack<int>时，将用int替换“泛型版”IL代码与元数据中的T---进行泛型类型的实例化。CLR为所有类型参数为“引用类型”的泛型类型产生同一份代码；但如果类型参数为“值类型”，对每一个不同的“值类型”，CLR将为其产生一份独立的代码。

　　泛型的一些问题

　　·不支持操作符重载。我只知道这么多了

　　范型的意义

　　泛型的意义何在？类型安全和减少装箱、拆箱并不是泛型的意义，而是泛型带来的两个好处而已（或许在.net泛型中，这是最明显的好处了）。泛型的意义在于——把类型作为参数，它实现了代码之间的很好的横向联系，我们知道继承为代码提供了一种从上往下的纵向联系，但泛型提供了方便的横向联系（从某种程度上说，它和AOP在思想上有相通之处）。在PersonCollection例子中，我们知道Add()方法和Remove()方法的参数类型相同，但我们明确无法告诉我们的程序这一点，泛型提供了一种机制，让程序知道这些。道理虽然简单，但这样的机制或许能给我们的程序带来一些深远的变化吧。

================================================分割线===================================================

Code

using System;
using System.Data;
using System.Configuration;
using System.Collections;
using System.Web;
using System.Web.Security;
using System.Web.UI;
using System.Web.UI.WebControls;
using System.Web.UI.WebControls.WebParts;
using System.Web.UI.HtmlControls;
using System.Collections.Generic;
public partial class Default3 : System.Web.UI.Page
{
    protected void Page_Load(object sender, EventArgs e)
    {
        Point<int> a = new Point<int>();
        a.X = 1;
        a.Y = 1;
        Response.Write(a.X + a.Y);
    }
}
-------------------------------------------------------------------
using System;
using System.Data;
using System.Configuration;
using System.Collections;
using System.Web;
using System.Web.Security;
using System.Web.UI;
using System.Web.UI.WebControls;
using System.Web.UI.WebControls.WebParts;
using System.Web.UI.HtmlControls;
using System.Collections.Generic;
public partial class Default3 : System.Web.UI.Page
{
    protected void Page_Load(object sender, EventArgs e)
    {
        Point<string> a = new Point<string>();
        a.X = "a";
        a.Y = "a";
        Response.Write(a.X + a.Y);
    }
}
--------------------------------------------------------------------
using System;
using System.Data;
using System.Configuration;
using System.Web;
using System.Web.Security;
using System.Web.UI;
using System.Web.UI.WebControls;
using System.Web.UI.WebControls.WebParts;
using System.Web.UI.HtmlControls;
using System.Collections.Generic;
/// <summary>
/// Summary description for Point
/// </summary>
public class Point<T>
{
    private T _x;
    private T _y;
    public T X
    {
        get { return _x; }
        set { _x = value; }
    }
    public T Y
    {
        get { return _y; }
        set { _y = value; }
    }
    public Point()
    {
        //
        // TODO: Add constructor logic here
        //
    }
}

using System;
using System.Data;
using System.Configuration;
using System.Collections;
using System.Web;
using System.Web.Security;
using System.Web.UI;
using System.Web.UI.WebControls;
using System.Web.UI.WebControls.WebParts;
using System.Web.UI.HtmlControls;
using System.Collections.Generic;
public partial class Default4 : System.Web.UI.Page
{
    protected void Page_Load(object sender, EventArgs e)
    {
        Po p=new Po("hello","world");
        Po p2 = new Po("ok", "ok");
        List<Po> po = new List<Po>();
        po.Add(p);
        po.Add(p2);
        Po p4 = po[0];
        Response.Write(p4.X+p4.Y);
        Response.Write(po[1].X + po[1].Y);

    }
}
---------------------------------------------------------------
using System;
using System.Data;
using System.Configuration;
using System.Web;
using System.Web.Security;
using System.Web.UI;
using System.Web.UI.WebControls;
using System.Web.UI.WebControls.WebParts;
using System.Web.UI.HtmlControls;

/// <summary>
/// Summary description for Po
/// </summary>
public class Po
{
    private string _x;
    private string _y;
    public string X
    {
        get { return _x; }
        set { _x = value; }
    }
    public string Y
    {
        get { return _y; }
        set { _y = value; }
    }
    public Po(string x,string y)
    {
        this._x = x;
        this._y = y;

        //
        // TODO: Add constructor logic here
        //
    }
}