C#泛型編程介紹

更新時間：2013年09月22日 11:13:43 作者：

泛型：通過參數化類型來實現在同一份代碼上操作多種數據類型。利用“參數化類型”將類型抽象化，從而實現靈活的復用

例子代碼：

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            int obj = 2;
            Test<int> test = new Test<int>(obj);
            Console.WriteLine("int:" + test.obj);
            string obj2 = "hello world";
            Test<string> test1 = new Test<string>(obj2);
            Console.WriteLine("String:" + test1.obj);
            Console.Read();
        }
    }
    class Test<T>
    {
        public T obj;
        public Test(T obj)
        {
            this.obj = obj;
        }
}

輸出結果是：

int:2
String:hello world

程序分析：

1、 Test是一個泛型類。T是要實例化的范型類型。如果T被實例化為int型，那么成員變量obj就是int型的，如果T被實例化為string型，那么obj就是string類型的。

2、根據不同的類型，上面的程序顯示出不同的值。

C#泛型機制：

C#泛型能力有CLR在運行時支持：C#泛型代碼在編譯為IL代碼和元數據時，采用特殊的占位符來表示范型類型，并用專有的IL指令支持泛型操作。而真正的泛型實例化工作以“on-demand”的方式，發(fā)生在JIT編譯時。

看看剛才的代碼中Main函數的元數據

復制代碼代碼如下:

.method private hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
{
  .entrypoint
  // Code size       79 (0x4f)
  .maxstack  2
  .locals init ([0] int32 obj,
           [1] class CSharpStudy1.Test`1<int32> test,
           [2] string obj2,
           [3] class CSharpStudy1.Test`1<string> test1)
  IL_0000:  nop
  IL_0001:  ldc.i4.2
  IL_0002:  stloc.0
  IL_0003:  ldloc.0
  IL_0004:  newobj     instance void class CSharpStudy1.Test`1<int32>::.ctor(!0)
  IL_0009:  stloc.1
  IL_000a:  ldstr      "int:"
  IL_ 000f:  ldloc.1
  IL_0010:  ldfld      !0 class CSharpStudy1.Test`1<int32>::obj
  IL_0015:  box        [mscorlib]System.Int32
  IL_ 001a:  call       string [mscorlib]System.String::Concat(object,
                                                              object)
  IL_ 001f:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
  IL_0024:  nop
  IL_0025:  ldstr      "hello world"
  IL_ 002a:  stloc.2
  IL_002b:  ldloc.2
  IL_ 002c:  newobj     instance void class CSharpStudy1.Test`1<string>::.ctor(!0)
  IL_0031:  stloc.3
  IL_0032:  ldstr      "String:"
  IL_0037:  ldloc.3
  IL_0038:  ldfld      !0 class CSharpStudy1.Test`1<string>::obj
  IL_003d:  call       string [mscorlib]System.String::Concat(string,
                                                              string)
  IL_0042:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
  IL_0047:  nop
  IL_0048:  call       int32 [mscorlib]System.Console::Read()
  IL_004d:  pop
  IL_004e:  ret
} // end of method Program::Main

再來看看Test類中構造函數的元數據

復制代碼代碼如下:

.method public hidebysig specialname rtspecialname 
        instance void  .ctor(!T obj) cil managed
{
  // Code size       17 (0x11)
  .maxstack  8
  IL_0000:  ldarg.0
  IL_0001:  call       instance void [mscorlib]System.Object::.ctor()
  IL_0006:  nop
  IL_0007:  nop
  IL_0008:  ldarg.0
  IL_0009:  ldarg.1
  IL_ 000a:  stfld      !0 class ConsoleCSharpTest1.Test`1<!T>::obj
  IL_ 000f:  nop
  IL_0010:  ret
} // end of method Test`1::.ctor

1、第一輪編譯時，編譯器只為Test<T>類型產生“泛型版”的IL代碼與元數據——并不進行泛型的實例化，T在中間只充當占位符。例如：Test類型元數據中顯示的<!T>
2、JIT編譯時，當JIT編譯器第一次遇到Test<int>時，將用int替換“范型版”IL代碼與元數據中的T——進行泛型類型的實例化。例如：Main函數中顯示的<int>
3、CLR為所有類型參數為“引用類型”的泛型類型產生同一份代碼；但是如果類型參數為“值類型”，對每一個不同的“值類型”，CLR將為其產生一份獨立的代碼。因為實例化一個引用類型的泛型，它在內存中分配的大小是一樣的，但是當實例化一個值類型的時候，在內存中分配的大小是不一樣的。

C#泛型特點：

1、如果實例化泛型類型的參數相同，那么JIT編輯器會重復使用該類型，因此C#的動態(tài)泛型能力避免了C++靜態(tài)模板可能導致的代碼膨脹的問題。
2、C#泛型類型攜帶有豐富的元數據，因此C#的泛型類型可以應用于強大的反射技術。
3、C#的泛型采用“基類、接口、構造器，值類型/引用類型”的約束方式來實現對類型參數的“顯示約束”，提高了類型安全的同時，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#泛型繼承：

C#除了可以單獨聲明泛型類型（包括類與結構）外，也可以在基類中包含泛型類型的聲明。但基類如果是泛型類，它的類型要么以實例化，要么來源于子類（同樣是泛型類型）聲明的類型參數，看如下類型

class C<U,V>
class D:C<string,int>
class E<U,V>:C<U,V>
class F<U,V>:C<string,int>
class G:C<U,V> //非法

E類型為C類型提供了U、V，也就是上面說的來源于子類

F類型繼承于C<string,int>，個人認為可以看成F繼承一個非泛型的類

G類型為非法的，因為G類型不是泛型，C是泛型，G無法給C提供泛型的實例化

泛型類型的成員：

泛型類型的成員可以使用泛型類型聲明中的類型參數。但類型參數如果沒有任何約束，則只能在該類型上使用從System.Object繼承的公有成員。如下圖：

泛型接口：

泛型接口的類型參數要么已實例化，要么來源于實現類聲明的類型參數

泛型委托：

泛型委托支持在委托返回值和參數上應用參數類型，這些參數類型同樣可以附帶合法的約束

復制代碼代碼如下:

delegate bool MyDelegate<T>(T value);
class MyClass
{
    static bool F(int i){...}
    static bool G(string s){...}
    static void Main()
    {
        MyDelegate<string> p2 = G;
        MyDelegate<int> p1 = new MyDelegate<int>(F);
    }
}

泛型方法：

1、C#泛型機制只支持“在方法聲明上包含類型參數”——即泛型方法。
2、C#泛型機制不支持在除方法外的其他成員（包括屬性、事件、索引器、構造器、析構器）的聲明上包含類型參數，但這些成員本身可以包含在泛型類型中，并使用泛型類型的類型參數。
3、泛型方法既可以包含在泛型類型中，也可以包含在非泛型類型中。

泛型方法聲明：如下

public static int FunctionName<T>(T value){...}

泛型方法的重載：

public void Function1<T>(T a);
public void Function1<U>(U a);

這樣是不能構成泛型方法的重載。因為編譯器無法確定泛型類型T和U是否不同，也就無法確定這兩個方法是否不同

public void Function1<T>(int x);
public void Function1(int x);

這樣可以構成重載

public void Function1<T>(T t) where T:A;
public void Function1<T>(T t) where T:B;

這樣不能構成泛型方法的重載。因為編譯器無法確定約束條件中的A和B是否不同，也就無法確定這兩個方法是否不同

泛型方法重寫：

在重寫的過程中，抽象類中的抽象方法的約束是被默認繼承的。如下：

復制代碼代碼如下:

abstract class Base
{
    public abstract T F<T,U>(T t,U u) where U:T;
    public abstract T G<T>(T t) where T:IComparable;
}
class MyClass:Base
{
    public override X F<X,Y>(X x,Y y){...}
    public override T G<T>(T t) where T:IComparable{}
}

對于MyClass中兩個重寫的方法來說
F方法是合法的，約束被默認繼承
G方法是非法的，指定任何約束都是多余的

泛型約束：

1、C#泛型要求對“所有泛型類型或泛型方法的類型參數”的任何假定，都要基于“顯式的約束”，以維護C#所要求的類型安全。
2、“顯式約束”由where子句表達，可以指定“基類約束”，“接口約束”，“構造器約束”，“值類型/引用類型約束”共四種約束。
3、“顯式約束”并非必須，如果沒有指定“顯式約束”，范型類型參數將只能訪問System.Object類型中的公有方法。例如：在開始的例子中，定義的那個obj成員變量。比如我們在開始的那個例子中加入一個Test1類，在它當中定義兩個公共方法Func1、Func2，如下圖：

下面就開始分析這些約束：

基類約束：

復制代碼代碼如下:

class A
    {
        public void Func1()
        { }
    }
    class B
    {
        public void Func2()
        { }
    }
    class C<S, T>
        where S : A
        where T : B
    {
        public C(S s,T t)
        {
            //S的變量可以調用Func1方法
            s.Func1();
            //T的變量可以調用Func2方法
            t.Func2();
        }
    }

接口約束：

復制代碼代碼如下:

interface IA<T>
    {
        T Func1();
    }
    interface IB
    {
        void Func2();
    }
    interface IC<T>
    {
        T Func3();
    }
    class MyClass<T, V>
        where T : IA<T>
        where V : IB, IC<V>
    {
        public MyClass(T t,V v)
        {
            //T的對象可以調用Func1
            t.Func1();
            //V的對象可以調用Func2和Func3
            v.Func2();
            v.Func3();
        }
    }

構造器約束：

復制代碼代碼如下:

class A
        {
            public A()
            { }
        }
        class B
        {
            public B(int i)
            { }
        }
        class C<T> where T : new()
        {
            T t;
            public C()
            {
                t = new T();
            }
        }
        class D
        {
            public void Func()
            {
                C<A> c = new C<A>();
                C<B> d = new C<B>();
            }
        }

d對象在編譯時報錯：The type B must have a public parameterless constructor in order to use it as parameter 'T' in the generic type or method C<T>

注意：C#現在只支持無參的構造器約束

此時由于我們?yōu)锽類型寫入了一個有參構造器，使得系統(tǒng)不會再為B自動創(chuàng)建一個無參的構造器，但是如果我們將B類型中加一個無參構造器，那么對象d的實例化就不會報錯了。B類型定義如下：

復制代碼代碼如下:

        class B
        {
            public B()
            { }
            public B(int i)
            { }
        }

值類型/引用類型：

復制代碼代碼如下:

public struct A { }
        public class B { }
        public class C<T> where T : struct
        {
        }
        C<A> c1 = new C<A>();
        C<B> c2 = new C<B>();

c2對象在編譯時報錯：The type 'B' must be a non-nullable value type in order to use it as parameter 'T' in the generic type or methor 'C<T>'

總結：

1、C#的泛型能力由CLR在運行時支持，它既不同于C++在編譯時所支持的靜態(tài)模板，也不同于Java在編譯器層面使用“擦拭法”支持的簡單的泛型。
2、C#的泛型支持包括類、結構、接口、委托四種泛型類型，以及方法成員。
3、C#的泛型采用“基類，接口，構造器，值類型/引用類型”的約束方式來實現對類型參數的“顯式約束”，它不支持C++模板那樣的基于簽名的隱式約束。

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