C# 之泛型詳解

    咱們在編寫程序時，常常遇到兩個模塊的功能很是類似，只是一個是處理int數據，另外一個是處理string數據，或者其餘自定義的數據類型，但咱們沒有辦法，只能分別寫多個方法處理每一個數據類型，由於方法的參數類型不一樣。有沒有一種辦法，在方法中傳入通用的數據類型，這樣不就能夠合併代碼了嗎？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。

爲何要使用泛型
爲了瞭解這個問題，咱們先看下面的代碼，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數據類型：

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];

        }

}

上面代碼運行的很好，可是，當咱們須要一個棧來保存string類型時，該怎麼辦呢？不少人都會想到把上面的代碼複製一份，把int改爲string不就好了。固然，這樣作自己是沒有任何問題的，但一個優秀的程序是不會這樣作的，由於他想到若之後再須要long、Node類型的棧該怎樣作呢？還要再複製嗎？優秀的程序員會想到用一個通用的數據類型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，他很是靈活，能夠接收任何數據類型，能夠說是一勞永逸。但全面地講，也不是沒有缺陷的，主要表如今：

當Stack處理值類型時，會出現裝箱、折箱操做，這將在託管堆上分配和回收大量的變量，若數據量大，則性能損失很是嚴重。 
在處理引用類型時，雖然沒有裝箱和折箱操做，但將用到數據類型的強制轉換操做，增長處理器的負擔。 
在數據類型的強制轉換上還有更嚴重的問題（假設stack是Stack的一個實例）：
Node1 x = new Node1();

            stack.Push(x);

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

上面的代碼在編譯時是徹底沒問題的，但因爲Push了一個Node1類型的數據，但在Pop時卻要求轉換爲Node2類型，這將出現程序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，咱們引入泛型，他能夠優雅地解決這些問題。泛型用用一個經過的數據類型T來代替object，在類實例化時指定T的類型，運行時（Runtime）自動編譯爲本地代碼，運行效率和代碼質量都有很大提升，而且保證數據類型安全。

 

使用泛型
下面是用泛型來重寫上面的棧，用一個通用的數據類型T來做爲一個佔位符，等待在實例化時用一個實際的類型來代替。讓咱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，只是引入了通用數據類型T就能夠適用於任何數據類型，而且類型安全的。這個類的調用方法：

//實例化只能保存int類型的類

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

      a.Push(10);

      a.Push("8888"); //這一行編譯不經過，由於類a只接收int類型的數據

      int x = a.Pop();

 

//實例化只能保存string類型的類

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

b.Push(10);    //這一行編譯不經過，由於類b只接收string類型的數據

      b.Push("8888");

string y = b.Pop();

 

這個類和object實現的類有大相徑庭的區別：

1.       他是類型安全的。實例化了int類型的棧，就不能處理string類型的數據，其餘數據類型也同樣。

2.       無需裝箱和折箱。這個類在實例化時，按照所傳入的數據類型生成本地代碼，本地代碼數據類型已肯定，因此無需裝箱和折箱。

3.       無需類型轉換。

 

泛型類實例化的理論
C#泛型類在編譯時，先生成中間代碼IL，通用類型T只是一個佔位符。在實例化類時，根據用戶指定的數據類型代替T並由即時編譯器（JIT）生成本地代碼，這個本地代碼中已經使用了實際的數據類型，等同於用實際類型寫的類，因此不一樣的封閉類的本地代碼是不同的。按照這個原理，咱們能夠這樣認爲：

泛型類的不一樣的封閉類是分別不一樣的數據類型。

例：Stack<int>和Stack<string>是兩個徹底沒有任何關係的類，你能夠把他當作類A和類B，這個解釋對泛型類的靜態成員的理解有很大幫助。

 

泛型類中數據類型的約束
程序員在編寫泛型類時，老是會對通用數據類型T進行有意或無心地有假想，也就是說這個T通常來講是不能適應全部類型，但怎樣限制調用者傳入的數據類型呢？這就須要對傳入的數據類型進行約束，約束的方式是指定T的祖先，即繼承的接口或類。由於C#的單根繼承性，因此約束能夠有多個接口，但最多隻能有一個類，而且類必須在接口以前。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代表，T必須是從Stack和IComparable繼承，V必須是Stack或從Stack繼承，不然將沒法經過編譯器的類型檢查，編譯失敗。

通用類型T沒有特指，但由於C#中全部的類都是從object繼承來，因此他在類Node的編寫中只能調用object類的方法，這給程序的編寫形成了困難。好比你的類設計只須要支持兩種數據類型int和string，而且在類中須要對T類型的變量比較大小，但這些卻沒法實現，由於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裏就能夠對T的實例執行CompareTo方法了。這個問題能夠擴展到其餘用戶自定義的數據類型。

若是在類Node裏須要對T從新進行實例化該怎麼辦呢？由於類Node中不知道類T到底有哪些構造函數。爲了解決這個問題，須要用到new約束：

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

        where V: IComparable

須要注意的是，new約束只能是無參數的，因此也要求相應的類Stack必須有一個無參構造函數，不然編譯失敗。

C#中數據類型有兩大類：引用類型和值類型。引用類型如全部的類，值類型通常是語言的最基本類型，如int, long, struct等，在泛型的約束中，咱們也能夠大範圍地限制類型T必須是引用類型或必須是值類型，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
泛型不只能做用在類上，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類參數，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一個數據，這個類Stack2擴展了Stack的功能（固然也能夠直接寫在Stack中），他能夠一次把多個數據壓入Stack中。其中Push是一個泛型方法，這個方法的調用示例以下：

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的值爲64321

   

 

泛型中的靜態成員變量
在C#1.x中，咱們知道類的靜態成員變量在不一樣的類實例間是共享的，而且他是經過類名訪問的。C#2.0中因爲引進了泛型，致使靜態成員變量的機制出現了一些變化：靜態成員變量在相同封閉類間共享，不一樣的封閉類間不共享。

這也很是容易理解，由於不一樣的封閉類雖然有相同的類名稱，但因爲分別傳入了不一樣的數據類型，他們是徹底不一樣的類，好比：

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

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

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

類實例a和b是同一類型，他們之間共享靜態成員變量，但類實例c倒是和a、b徹底不一樣的類型，因此不能和a、b共享靜態成員變量。

泛型中的靜態構造函數
靜態構造函數的規則：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。

泛型中的靜態構造函數的原理和非泛型類是同樣的，只需把泛型中的不一樣的封閉類理解爲不一樣的類便可。如下兩種狀況可激發靜態的構造函數：

1.       特定的封閉類第一次被實例化。

2.       特定封閉類中任一靜態成員變量被調用。

 

泛型類中的方法重載
方法的重載在.Net Framework中被大量應用，他要求重載具備不一樣的簽名。在泛型類中，因爲通用類型T在類編寫時並不肯定，因此在重載時有些注意事項，這些事項咱們經過如下的例子說明：

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，若是T和V都傳入int的話，三個add方法將具備一樣的簽名，但這個類仍然能經過編譯，是否會引發調用混淆將在這個類實例化和調用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的實例化引發了三個add具備一樣的簽名，但卻能調用成功，由於他優先匹配了第三個add。但若是刪除了第三個add，上面的調用代碼則沒法編譯經過，提示方法產生的混淆，由於運行時沒法在第一個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，由於傳入的string和int，使三個add具備不一樣的簽名，固然能找到惟一匹配的add方法。

由以上示例可知，C#的泛型是在實例的方法被調用時檢查重載是否產生混淆，而不是在泛型類自己編譯時檢查。同時還得出一個重要原則：

當通常方法與泛型方法具備相同的簽名時，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同樣，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，泛型還能夠用在類方法、接口、結構（struct）、委託等上面使用，使用方法大體相同，就再也不講述。

小結C# 泛型是開發工具庫中的一個無價之寶。它們能夠提升性能、類型安全和質量，減小重複性的編程任務，簡化整體編程模型，而這一切都是經過優雅的、可讀性強的語法完成的。儘管 C# 泛型的根基是 C++ 模板，但 C# 經過提供編譯時安全和支持將泛型提升到了一個新水平。C# 利用了兩階段編譯、元數據以及諸如約束和通常方法之類的創新性的概念。毫無疑問，C# 的未來版本將繼續發展泛型，以便添加新的功能，而且將泛型擴展到諸如數據訪問或本地化之類的其餘 .NET Framework 領域。