c#泛型的使用[轉]

在2005年末微軟公司正式發佈了C# 2.0，與C# 1.x相比，新版本增長了不少新特性，其中最重要的是對泛型的支持。經過泛型，咱們能夠定義類型安全的數據結構，而無需使用實際的數據類型。這能顯著提升性能並獲得更高質量的代碼。泛型並非什麼新鮮的東西，他在功能上相似於C++的模板，模板多年前就已存在C++上了，而且在C++上有大量成熟應用。

　　本文討論泛型使用的通常問題，好比爲何要使用泛型、泛型的編寫方法、泛型中數據類型的約束、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，經過這些使咱們能夠大體瞭解泛型並掌握泛型的通常應用，編寫出更簡單、通用、高效的應用系統。

 

　　什麼是泛型

　　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
    泛型是 2.0 版 C# 語言和公共語言運行庫 (CLR) 中的一個新功能。泛型將類型參數的概念引入 .NET Framework，類型參數使得設計以下類和方法成爲可能：這些類和方法將一個或多個類型的指定推遲到客戶端代碼聲明並實例化該類或方法的時候。例如，經過使用泛型類型參數 T，您能夠編寫其餘客戶端代碼可以使用的單個類，而不致引入運行時強制轉換或裝箱操做的成本或風險
　　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[] items;
private int count;
public Stack(int size)
{
     items = new int[size];
     count = 0;
}
　public void Push(int x)
{
     //爲了代碼清晰及只簡單熟悉泛型所以不考慮堆棧時超出數組大小的狀況
     items[count++]=x;
}
　public int Pop()
{
     //爲了代碼清晰及只簡單熟悉泛型所以不考慮出棧時超出數組已爲空的狀況
     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[] 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 n1 = new Node1();
stack.Push(n1);
Node2 n2 = (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[] 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

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

//實例化只能保存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。

 

　　泛型概述
1.使用泛型類型能夠最大限度地重用代碼、保護類型的安全以及提升性能。
2.泛型最多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。應儘量地使用這些類來代替普通的類，如 System.Collections 命名空間中的 ArrayList。
4.您能夠建立本身的泛型接口、泛型類、泛型方法、泛型事件和泛型委託。
5.能夠對泛型類進行約束以訪問特定數據類型的方法。
6.關於泛型數據類型中使用的類型的信息可在運行時經過反射獲取。

//上面的示例已簡單說明了泛型的特性如欲想深刻了解能夠看下面的理論及擴展知識
　　

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。