C# 2.0中泛型编程思想分析

 在 2005 年底微软公司正式发布了 C# 2.0 ，与 C# 1.x 相比，新版本增加了很多新特性，其中最重要的是对泛型的支持。通过泛型，我们可以定义类型安全的数据结构，而无需使用实际的数据类型。这能显著提高性能并得到更高质量的代码。泛型并不是什么新鲜的东西，他在功能上类似于 C++ 的模板，模板多年前就已存在 C++ 上了，并且在 C++ 上有大量成熟应用。

　　本文讨论泛型使用的一般问题，比如为什么要使用泛型、泛型的编写方法、泛型中数据类型的约束、泛型中静态成员使用要注意的问题、泛型中方法重载的问、泛型方法等，通过这些使我们可以大致了解泛型并掌握泛型的一般应用，编写出更简单、通用、高效的应用系统。

　　什么是泛型

　　我们在编写程序时，经常遇到两个模块的功能非常相似，只是一个是处理 int 数据，另一个是处理 string 数据，或者其他自定义的数据类型，但我们没有办法，只能分别写多个方法处理每个数据类型，因为方法的参数类型不同。有没有一种办法，在方法中传入通用的数据类型，这样不就可以合并代码了吗？泛型的出现就是专门解决这个问题的。读完本篇文章，你会对泛型有更深的了解。

　　为什么要使用泛型

　　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<T>
{
　 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<int> a = new Stack<int>(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<string> b = new Stack<string>(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。

　　泛型类实例化的理论

　　 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。

　　例： Stack<int> 和 Stack<string> 是两个完全没有任何关系的类，你可以把他看成类 A 和类 B ，这个解释对泛型类的静态成员的理解有很大帮助。

　　泛型类中数据类型的约束

　　程序员在编写泛型类时，总是会对通用数据类型 T 进行有意或无意地有假想，也就是说这个 T 一般来说是不能适应所有类型，但怎样限制调用者传入的数据类型呢？这就需要对传入的数据类型进行约束，约束的方式是指定 T 的祖先，即继承的接口或类。因为 C# 的单根继承性，所以约束可以有多个接口，但最多只能有一个类，并且类必须在接口之前。这时就用到了 C#2.0 的新增关键字：

public class Node<T, V> where T : Stack, IComparable
where V: Stack
{...}

　　以上的泛型类的约束表明， T 必须是从 Stack 和 IComparable 继承， V 必须是 Stack 或从 Stack 继承，否则将无法通过编译器的类型检查，编译失败。

　　通用类型 T 没有特指，但因为 C# 中所有的类都是从 object 继承来，所以他在类 Node 的编写中只能调用 object 类的方法，这给程序的编写造成了困难。比如你的类设计只需要支持两种数据类型 int 和 string ，并且在类中需要对 T 类型的变量比较大小，但这些却无法实现，因为 object 是没有比较大小的方法的。 了解决这个问题，只需对 T 进行 IComparable 约束，这时在类 Node 里就可以对 T 的实例执行 CompareTo 方法了。这个问题可以扩展到其他用户自定义的数据类型。

　　如果在类 Node 里需要对 T 重新进行实例化该怎么办呢？因为类 Node 中不知道类 T 到底有哪些构造函数。为了解决这个问题，需要用到 new 约束：

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

where V: IComparable

　　需要注意的是， new 约束只能是无参数的，所以也要求相应的类 Stack 必须有一个无参构造函数，否则编译失败。

　　 C# 中数据类型有两大类：引用类型和值类型。引用类型如所有的类，值类型一般是语言的最基本类型，如 int, long, struct 等，在泛型的约束中，我们也可以大范围地限制类型 T 必须是引用类型或必须是值类型，分别对应的关键字是 class 和 struct:

public class Node<T, V> where T : class

where V: struct

　　泛型方法

　　泛型不仅能作用在类上，也可单独用在类的方法上，他可根据方法参数的类型自动适应各种参数，这样的方法叫泛型方法。看下面的类：

public class Stack2
{
　 public void Push<T>(Stack<T> s, params T[] p)
　 {
　　 foreach (T t in p)
　　 {
　　　 s.Push(t);
　　 }
　 }
}

　　原来的类 Stack 一次只能 Push 一个数据，这个类 Stack2 扩展了 Stack 的功能（当然也可以直接写在 Stack 中），他可以一次把多个数据压入 Stack 中。其中 Push 是一个泛型方法，这个方法的调用示例如下：

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 的值为 64321

　　泛型中的静态成员变量

　　在 C#1.x 中，我们知道类的静态成员变量在不同的类实例间是共享的，并且他是通过类名访问的。 C#2.0 中由于引进了泛型，导致静态成员变量的机制出现了一些变化：静态成员变量在相同封闭类间共享，不同的封闭类间不共享。

　　这也非常容易理解，因为不同的封闭类虽然有相同的类名称，但由于分别传入了不同的数据类型，他们是完全不同的类，比如：

Stack<int> a = new Stack<int>();
Stack<int> b = new Stack<int>();
Stack<long> c = new Stack<long>();

　　类实例 a 和 b 是同一类型，他们之间共享静态成员变量，但类实例 c 却是和 a 、 b 完全不同的类型，所以不能和 a 、 b 共享静态成员变量。

　　泛型中的静态构造函数

　　静态构造函数的规则：只能有一个，且不能有参数，他只能被 .NET 运行时自动调用，而不能人工调用。

　　泛型中的静态构造函数的原理和非泛型类是一样的，只需把泛型中的不同的封闭类理解为不同的类即可。以下两种情况可激发静态的构造函数：

　　 1. 特定的封闭类第一次被实例化。

　　 2. 特定封闭类中任一静态成员变量被调用。

　　泛型类中的方法重载

　　方法的重载在 .Net Framework 中被大量应用，他要求重载具有不同的签名。在泛型类中，由于通用类型 T 在类编写时并不确定，所以在重载时有些注意事项，这些事项我们通过以下的例子说明：

public class Node<T, V>
{
　 public T add(T a, V b) // 第一个 add
　 {
　　 return a;
　 }
　 public T add(V a, T b) // 第二个 add
　 {
　　 return b;
　 }
　 public int add(int a, int b) // 第三个 add
　 {
　　 return a + b;
　 }
}

　　上面的类很明显，如果 T 和 V 都传入 int 的话，三个 add 方法将具有同样的签名，但这个类仍然能通过编译，是否会引起调用混淆将在这个类实例化和调用 add 方法时判断。请看下面调用代码：

Node<int, int> node = new Node<int, int>();
object x = node.add(2, 11);

　　这个 Node 的实例化引起了三个 add 具有同样的签名，但却能调用成功，因为他优先匹配了第三个 add 。但如果删除了第三个 add ，上面的调用代码则无法编译通过，提示方法产生的混淆，因为运行时无法在第一个 add 和第二个 add 之间选择。

Node<string, int> node = new Node<string, int>();
object x = node.add(2, "11");

　　这两行调用代码可正确编译，因为传入的 string 和 int ，使三个 add 具有不同的签名，当然能找到唯一匹配的 add 方法。

　　由以上示例可知， C# 的泛型是在实例的方法被调用时检查重载是否产生混淆，而不是在泛型类本身编译时检查。同时还得出一个重要原则：

　　当一般方法与泛型方法具有相同的签名时，会覆盖泛型方法。

　　泛型类的方法重写

　　方法重写（ override ）的主要问题是方法签名的识别规则，在这一点上他与方法重载一样，请参考泛型类的方法重载。

　　泛型的使用范围

　　本文主要是在类中讲述泛型，实际上，泛型还可以用在类方法、接口、结构（ struct ）、委托等上面使用，使用方法大致相同，就不再讲述。

　　小结

　　 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。