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淺談C#泛型的用處與特點(diǎn)

更新時(shí)間：2013年09月22日 11:00:15 作者：

泛型是 2.0 版 C# 語言和公共語言運(yùn)行庫 (CLR) 中的一個(gè)新功能。泛型將類型參數(shù)的概念引入 .NET Framework，類型參數(shù)使得設(shè)計(jì)如下類和方法成為可能：這些類和方法將一個(gè)或多個(gè)類型的指定推遲到客戶端代碼聲明并實(shí)例化該類或方法的時(shí)候

泛型是 2.0 版 C# 語言和公共語言運(yùn)行庫 (CLR) 中的一個(gè)新功能。泛型將類型參數(shù)的概念引入 .NET Framework，類型參數(shù)使得設(shè)計(jì)如下類和方法成為可能：這些類和方法將一個(gè)或多個(gè)類型的指定推遲到客戶端代碼聲明并實(shí)例化該類或方法的時(shí)候。例如，通過使用泛型類型參數(shù) T，您可以編寫其他客戶端代碼能夠使用的單個(gè)類，而不致引入運(yùn)行時(shí)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換或裝箱操作的成本或風(fēng)險(xiǎn)，如下所示：

復(fù)制代碼代碼如下:

 
// Declare the generic class 
public class GenericList<T> 
{ 
void Add(T input) { } 
} 
class TestGenericList 
{ 
private class ExampleClass { } 
static void Main() 
{ 
// Declare a list of type int 
GenericList<int> list1 = new GenericList<int>(); 
// Declare a list of type string 
GenericList<string> list2 = new GenericList<string>(); 
// Declare a list of type ExampleClass 
GenericList<ExampleClass> list3 = new GenericList<ExampleClass>(); 
} 
} 

使用泛型類型可以最大限度地重用代碼、保護(hù)類型的安全以及提高性能。
泛型最常見的用途是創(chuàng)建集合類。
.NET Framework 類庫在 System.Collections.Generic 命名空間中包含幾個(gè)新的泛型集合類。應(yīng)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。
您可以創(chuàng)建自己的泛型接口、泛型類、泛型方法、泛型事件和泛型委托。
可以對(duì)泛型類進(jìn)行約束以訪問特定數(shù)據(jù)類型的方法。
關(guān)于泛型數(shù)據(jù)類型中使用的類型的信息可在運(yùn)行時(shí)通過反射獲取。

為什么要使用C#泛型?

為了了解這個(gè)問題，我們先看下面的代碼，代碼省略了一些內(nèi)容，但功能是實(shí)現(xiàn)一個(gè)棧，這個(gè)棧只能處理int數(shù)據(jù)類型：

復(fù)制代碼代碼如下:

publicclassStack
{
privateint[]m_item;
publicintPop(){...}
publicvoidPush(intitem){...}
publicStack(inti)
{
this.m_item=newint[i];
}
}

上面代碼運(yùn)行的很好，但是，當(dāng)我們需要一個(gè)棧來保存string類型時(shí)，該怎么辦呢？很多人都會(huì)想到把上面的代碼復(fù)制一份，把int改成string不就行了。當(dāng)然，這樣做本身是沒有任何問題的，但一個(gè)優(yōu)秀的程序是不會(huì)這樣做的，因?yàn)樗氲饺粢院笤傩枰猯ong、Node類型的棧該怎樣做呢？還要再復(fù)制嗎？優(yōu)秀的程序員會(huì)想到用一個(gè)通用的數(shù)據(jù)類型object來實(shí)現(xiàn)這個(gè)棧：

復(fù)制代碼代碼如下:

publicclassStack
{
privateobject[]m_item;
publicobjectPop(){...}
publicvoidPush(objectitem){...}
publicStack(inti)
{
this.m_item=new[i];
}
}

這個(gè)棧寫的不錯(cuò)，他非常靈活，可以接收任何數(shù)據(jù)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(xiàn)在：

當(dāng)Stack處理值類型時(shí)，會(huì)出現(xiàn)裝箱、折箱操作，這將在托管堆上分配和回收大量的變量，若數(shù)據(jù)量大，則性能損失非常嚴(yán)重。

在處理引用類型時(shí)，雖然沒有裝箱和折箱操作，但將用到數(shù)據(jù)類型的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換操作，增加處理器的負(fù)擔(dān)。

在數(shù)據(jù)類型的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換上還有更嚴(yán)重的問題（假設(shè)stack是Stack的一個(gè)實(shí)例）：

復(fù)制代碼代碼如下:

Node1x=newNode1();
stack.Push(x);
Node2y=(Node2)stack.Pop();

上面的代碼在編譯時(shí)是完全沒問題的，但由于Push了一個(gè)Node1類型的數(shù)據(jù)，但在Pop時(shí)卻要求轉(zhuǎn)換為Node2類型，這將出現(xiàn)程序運(yùn)行時(shí)的類型轉(zhuǎn)換異常，但卻逃離了編譯器的檢查。

針對(duì)object類型棧的問題，我們引入泛型，他可以優(yōu)雅地解決這些問題。泛型用用一個(gè)通過的數(shù)據(jù)類型T來代替object，在類實(shí)例化時(shí)指定T的類型，運(yùn)行時(shí)（Runtime）自動(dòng)編譯為本地代碼，運(yùn)行效率和代碼質(zhì)量都有很大提高，并且保證數(shù)據(jù)類型安全。

使用C#泛型

下面是用泛型來重寫上面的棧，用一個(gè)通用的數(shù)據(jù)類型T來作為一個(gè)占位符，等待在實(shí)例化時(shí)用一個(gè)實(shí)際的類型來代替。讓我們來看看泛型的威力：

復(fù)制代碼代碼如下:

publicclassStack
{
privateT[]m_item;
publicTPop(){...}
publicvoidPush(Titem){...}
publicStack(inti)
{
this.m_item=newT[i];
}
}

類的寫法不變，只是引入了通用數(shù)據(jù)類型T就可以適用于任何數(shù)據(jù)類型，并且類型安全的。這個(gè)類的調(diào)用方法：

復(fù)制代碼代碼如下:

//實(shí)例化只能保存int類型的類
Stacka=newStack(100);
a.Push(10);
a.Push("8888");//這一行編譯不通過，因?yàn)轭恆只接收int類型的數(shù)據(jù)
intx=a.Pop();
//實(shí)例化只能保存string類型的類
Stackb=newStack(100);
b.Push(10);//這一行編譯不通過，因?yàn)轭恇只接收string類型的數(shù)據(jù)
b.Push("8888");
stringy=b.Pop();

這個(gè)類和object實(shí)現(xiàn)的類有截然不同的區(qū)別：

1.他是類型安全的。實(shí)例化了int類型的棧，就不能處理string類型的數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)類型也一樣。

2.無需裝箱和折箱。這個(gè)類在實(shí)例化時(shí)，按照所傳入的數(shù)據(jù)類型生成本地代碼，本地代碼數(shù)據(jù)類型已確定，所以無需裝箱和折箱。

3.無需類型轉(zhuǎn)換。

理論知識(shí)：

所謂泛型：即通過參數(shù)化類型來實(shí)現(xiàn)在同一份代碼上操作多種數(shù)據(jù)類型。泛型編程是一種編程范式，它利用“參數(shù)化類型”將類型抽象化，從而實(shí)現(xiàn)更為靈活的復(fù)用。

C#泛型賦予了代碼更強(qiáng)的類型安全，更好的復(fù)用，更高的效率，更清晰的約束。

C#泛型能力由CLR在運(yùn)行時(shí)支持，區(qū)別于C++的編譯時(shí)模板機(jī)制，和java的編譯時(shí)的“搽拭法”。這使得泛型能力可以在各個(gè)支持CLR的語言之間進(jìn)行無縫的互操作。

C#泛型代碼在被編譯為IL和元數(shù)據(jù)時(shí)，采用特殊的占位符來表示泛型類型，并用專有的IL指令支持泛型操作。而真正的泛型實(shí)例化工作以“on-demand”的方式，發(fā)生在JIT編譯時(shí)。

C#泛型編譯機(jī)制如下：

第一輪編譯時(shí)，編譯器只為Stack類型產(chǎn)生“泛型版”的IL代碼和元數(shù)據(jù)，并不進(jìn)行泛型類型的實(shí)例化，T在中間只充當(dāng)占位符。

JIT編譯時(shí)，當(dāng)JIT編譯器第一次遇到Stack時(shí)，將用int類型替換“泛型版”IL代碼與元數(shù)據(jù)中的T -- 進(jìn)行泛型類型的實(shí)例化。

CLR為所有類型參數(shù)為“引用類型”的泛型類型產(chǎn)生同一份代碼，但如果類型參數(shù)為“值類型”，對(duì)每一個(gè)不同的“值類型”，CLR將為其產(chǎn)生一份獨(dú)立的代碼。

C#泛型的幾個(gè)特點(diǎn)

如果實(shí)例化泛型類型的參數(shù)相同，那么JIT編譯器會(huì)重復(fù)使用該類型，因此C#的動(dòng)態(tài)泛型能力避免了C++靜態(tài)模板可能導(dǎo)致的代碼膨脹的問題。

C#泛型類型攜帶有豐富的元數(shù)據(jù)，因此C#的泛型類型可以應(yīng)用于強(qiáng)大的反射技術(shù)。

C#的泛型采用“基類、接口、構(gòu)造器、值類型/引用類型”的約束方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)類型參數(shù)的“顯示約束”，提高了類型安全的同時(shí)，也喪失了C++模板基于“簽名”的隱式約束所具有的高靈活性。

C#泛型類在編譯時(shí)，先生成中間代碼IL，通用類型T只是一個(gè)占位符。在實(shí)例化類時(shí)，根據(jù)用戶指定的數(shù)據(jù)類型代替T并由即時(shí)編譯器（JIT）生成本地代碼，這個(gè)本地代碼中已經(jīng)使用了實(shí)際的數(shù)據(jù)類型，等同于用實(shí)際類型寫的類，所以不同的封閉類的本地代碼是不一樣的。按照這個(gè)原理，我們可以這樣認(rèn)為：泛型類的不同的封閉類是分別不同的數(shù)據(jù)類型。

這樣泛型不僅更加靈活，也同時(shí)將代碼的簡便和提高到一個(gè)層次！不用再為具體不同的重載方法寫具體的代碼了！

C# 泛型是開發(fā)工具庫中的一個(gè)無價(jià)之寶。它們可以提高性能、類型安全和質(zhì)量，減少重復(fù)性的編程任務(wù)，簡化總體編程模型，而這一切都是通過優(yōu)雅的、可讀性強(qiáng)的語法完成的。盡管 C# 泛型的根基是 C++ 模板，但 C# 通過提供編譯時(shí)安全和支持將泛型提高到了一個(gè)新水平。C# 利用了兩階段編譯、元數(shù)據(jù)以及諸如約束和一般方法之類的創(chuàng)新性的概念。毫無疑問，C# 的將來版本將繼續(xù)發(fā)展泛型，以便添加新的功能，并且將泛型擴(kuò)展到諸如數(shù)據(jù)訪問或本地化之類的其他 .NET Framework 領(lǐng)域。

當(dāng)然，C#的泛型還很多應(yīng)用，現(xiàn)在我還只是了解了它的機(jī)制和原理，在接下來的學(xué)習(xí)中我會(huì)系統(tǒng)得學(xué)習(xí)泛型所支持的抽象泛型，接口泛型，結(jié)構(gòu)和委托等！

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