c#泛型的使用

在2005年底微軟公司正式釋出了C# 2.0，與C# 1.x相比，新版本增加了很多新特性，其中最重要的是對泛型的支援。通過泛型，我們可以定義類型安全的資料結構，而無需使用實際的資料類型。這能顯著提高性能并得到更高品質的代碼。泛型并不是什麼新鮮的東西，他在功能上類似于C++的模闆，模闆多年前就已存在C++上了，并且在C++上有大量成熟應用。

　　本文讨論泛型使用的一般問題，比如為什麼要使用泛型、泛型的編寫方法、泛型中資料類型的限制、泛型中靜态成員使用要注意的問題、泛型中方法重載的問、泛型方法等，通過這些使我們可以大緻了解泛型并掌握泛型的一般應用，編寫出更簡單、通用、高效的應用系統。

　　什麼是泛型

　　我們在編寫程式時，經常遇到兩個子產品的功能非常相似，隻是一個是處理int資料，另一個是處理string資料，或者其他自定義的資料類型，但我們沒有辦法，隻能分别寫多個方法處理每個資料類型，因為方法的參數類型不同。有沒有一種辦法，在方法中傳入通用的資料類型，這樣不就可以合并代碼了嗎？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了解。

　　為什麼要使用泛型

    泛型是 2.0 版 C# 語言和公共語言運作庫 (CLR) 中的一個新功能。泛型将類型參數的概念引入 .NET Framework，類型參數使得設計如下類和方法成為可能：這些類和方法将一個或多個類型的指定推遲到用戶端代碼聲明并執行個體化該類或方法的時候。例如，通過使用泛型類型參數 T，您可以編寫其他用戶端代碼能夠使用的單個類，而不緻引入運作時強制轉換或裝箱操作的成本或風險

　　為了了解這個問題，我們先看下面的代碼，代碼省略了一些内容，但功能是實作一個棧，這個棧隻能處理int資料類型：

public class Stack

{

　private int[] items;

private int count;

public Stack(int size)

     items = new int[size];

     count = 0;

}

　public void Push(int x)

     //為了代碼清晰及隻簡單熟悉泛型是以不考慮堆棧時超出數組大小的情況

     items[count++]=x;

　public int Pop()

     //為了代碼清晰及隻簡單熟悉泛型是以不考慮出棧時超出數組已為空的情況

     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())

　　上面代碼運作的很好，但是，當我們需要一個棧來儲存string類型時，該怎麼辦呢？很多人都會想到把上面的代碼複制一份，把int改成string不就行了。當然，這樣做本身是沒有任何問題的，但一個優秀的程式是不會這樣做的，因為他想到若以後再需要long、Node類型的棧該怎樣做呢？還要再複制嗎？優秀的程式員會想到用一個通用的資料類型object來實作這個棧：

　private object[] items;

     items = new object[size];

　public void Push(object x)

　public object Pop()

     s.Push("111");

     s.Push("222");

     Console.WriteLine((string)s.Pop()+(string)s.Pop())

　　這個棧寫的不錯，他非常靈活，可以接收任何資料類型，可以說是一勞永逸。但全面地講，也不是沒有缺陷的，主要表現在：

　　當Stack處理值類型時，會出現裝箱、折箱操作，這将在托管堆上配置設定和回收大量的變量，若資料量大，則性能損失非常嚴重。在處理引用類型時，雖然沒有裝箱和折箱操作，但将用到資料類型的強制轉換操作，增加處理器的負擔。

在資料類型的強制轉換上還有更嚴重的問題（假設stack是Stack的一個執行個體）：

Node1 n1 = new Node1();

stack.Push(n1);

Node2 n2 = (Node2)stack.Pop();

上面的代碼在編譯時是完全沒問題的，但由于Push了一個Node1類型的資料，但在Pop時卻要求轉換為Node2類型，這将出現程式運作時的類型轉換異常，但卻逃離了編譯器的檢查。

　　針對object類型棧的問題，我們引入泛型，他可以優雅地解決這些問題。泛型用用一個通過的資料類型T來代替object，在類執行個體化時指定T的類型，運作時（Runtime）自動編譯為本地代碼，運作效率和代碼品質都有很大提高，并且保證資料類型安全。

　　使用泛型

　　下面是用泛型來重寫上面的棧，用一個通用的資料類型T來作為一個占位符，等待在執行個體化時用一個實際的類型來代替。讓我們來看看泛型的威力：

public class Stack<T>

　private T[] items;

     items = new T[size];

　public void Push(T x)

　public T Pop()

類的寫法不變，隻是引入了通用資料類型T就可以适用于任何資料類型，并且類型安全的。這個類的調用方法：

//執行個體化隻能儲存int類型的類

     Stack<int> s = new Stack<int>(10);

//執行個體化隻能儲存string類型的類

     Stack<string> s = new Stack<string>(10);

這個類和object實作的類有截然不同的差別：

1. 他是類型安全的。執行個體化了int類型的棧，就不能處理string類型的資料，其他資料類型也一樣。

2. 無需裝箱和折箱。這個類在執行個體化時，按照所傳入的資料類型生成本地代碼，本地代碼資料類型已确定，是以無需裝箱和折箱。

3. 無需類型轉換。

　　泛型概述

1.使用泛型類型可以最大限度地重用代碼、保護類型的安全以及提高性能。

2.泛型最常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。應盡可能地使用這些類來代替普通的類，如 System.Collections 命名空間中的 ArrayList。

4.您可以建立自己的泛型接口、泛型類、泛型方法、泛型事件和泛型委托。

5.可以對泛型類進行限制以通路特定資料類型的方法。

6.關于泛型資料類型中使用的類型的資訊可在運作時通過反射擷取。

//上面的示例已簡單說明了泛型的特性如欲想深入了解可以看下面的理論及擴充知識

　　泛型類執行個體化的理論

　　C#泛型類在編譯時，先生成中間代碼IL，通用類型T隻是一個占位符。在執行個體化類時，根據使用者指定的資料類型代替T并由即時編譯器（JIT）生成本地代碼，這個本地代碼中已經使用了實際的資料類型，等同于用實際類型寫的類，是以不同的封閉類的本地代碼是不一樣的。按照這個原理，我們可以這樣認為：

　　泛型類的不同的封閉類是分别不同的資料類型。

　　例：Stack<int>和Stack<string>是兩個完全沒有任何關系的類，你可以把他看成類A和類B，這個解釋對泛型類的靜态成員的了解有很大幫助。

　　泛型類中資料類型的限制

　　程式員在編寫泛型類時，總是會對通用資料類型T進行有意或無意地有假想，也就是說這個T一般來說是不能适應所有類型，但怎樣限制調用者傳入的資料類型呢？這就需要對傳入的資料類型進行限制，限制的方式是指定T的祖先，即繼承的接口或類。因為C#的單根繼承性，是以限制可以有多個接口，但最多隻能有一個類，并且類必須在接口之前。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

{...}

　　以上的泛型類的限制表明，T必須是從Stack和IComparable繼承，V必須是Stack或從Stack繼承，否則将無法通過編譯器的類型檢查，編譯失敗。

　　通用類型T沒有特指，但因為C#中所有的類都是從object繼承來，是以他在類Node的編寫中隻能調用object類的方法，這給程式的編寫造成了困難。比如你的類設計隻需要支援兩種資料類型int和string，并且在類中需要對T類型的變量比較大小，但這些卻無法實作，因為object是沒有比較大小的方法的。了解決這個問題，隻需對T進行IComparable限制，這時在類Node裡就可以對T的執行個體執行CompareTo方法了。這個問題可以擴充到其他使用者自定義的資料類型。

　　如果在類Node裡需要對T重新進行執行個體化該怎麼辦呢？因為類Node中不知道類T到底有哪些構造函數。為了解決這個問題，需要用到new限制：

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

where V: IComparable

　　需要注意的是，new限制隻能是無參數的，是以也要求相應的類Stack必須有一個無參構造函數，否則編譯失敗。

　　C#中資料類型有兩大類：引用類型和值類型。引用類型如所有的類，值類型一般是語言的最基本類型，如int, long, struct等，在泛型的限制中，我們也可以大範圍地限制類型T必須是引用類型或必須是值類型，分别對應的關鍵字是class和struct:

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

where V: struct

　　泛型方法

　　泛型不僅能作用在類上，也可單獨用在類的方法上，他可根據方法參數的類型自動适應各種參數，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一次隻能Push一個資料，這個類Stack2擴充了Stack的功能（當然也可以直接寫在Stack中），他可以一次把多個資料壓入Stack中。其中Push是一個泛型方法，這個方法的調用示例如下：

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的值為64321

　　泛型中的靜态成員變量

　　在C#1.x中，我們知道類的靜态成員變量在不同的類執行個體間是共享的，并且他是通過類名通路的。C#2.0中由于引進了泛型，導緻靜态成員變量的機制出現了一些變化：靜态成員變量在相同封閉類間共享，不同的封閉類間不共享。

　　這也非常容易了解，因為不同的封閉類雖然有相同的類名稱，但由于分别傳入了不同的資料類型，他們是完全不同的類，比如：

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

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

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

　　類執行個體a和b是同一類型，他們之間共享靜态成員變量，但類執行個體c卻是和a、b完全不同的類型，是以不能和a、b共享靜态成員變量。

　　泛型中的靜态構造函數

　　靜态構造函數的規則：隻能有一個，且不能有參數，他隻能被.NET運作時自動調用，而不能人工調用。

　　泛型中的靜态構造函數的原理和非泛型類是一樣的，隻需把泛型中的不同的封閉類了解為不同的類即可。以下兩種情況可激發靜态的構造函數：

　　1. 特定的封閉類第一次被執行個體化。

　　2. 特定封閉類中任一靜态成員變量被調用。

　　泛型類中的方法重載

　　方法的重載在.Net Framework中被大量應用，他要求重載具有不同的簽名。在泛型類中，由于通用類型T在類編寫時并不确定，是以在重載時有些注意事項，這些事項我們通過以下的例子說明：

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，如果T和V都傳入int的話，三個add方法将具有同樣的簽名，但這個類仍然能通過編譯，是否會引起調用混淆将在這個類執行個體化和調用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的執行個體化引起了三個add具有同樣的簽名，但卻能調用成功，因為他優先比對了第三個add。但如果删除了第三個add，上面的調用代碼則無法編譯通過，提示方法産生的混淆，因為運作時無法在第一個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确編譯，因為傳入的string和int，使三個add具有不同的簽名，當然能找到唯一比對的add方法。

　　由以上示例可知，C#的泛型是在執行個體的方法被調用時檢查重載是否産生混淆，而不是在泛型類本身編譯時檢查。同時還得出一個重要原則：

　　當一般方法與泛型方法具有相同的簽名時，會覆寫泛型方法。

　　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别規則，在這一點上他與方法重載一樣，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，泛型還可以用在類方法、接口、結構（struct）、委托等上面使用，使用方法大緻相同，就不再講述。

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