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，我們可以定義型別安全的資料結構，而無需使用實際的資料型別。這能顯著提高 效能並得到更高質量的程式碼。泛型並不是什麼新鮮的東西，他在功能上類似於C++的模板，模板多年前就已存在C++上了，並且在C++上有大量成熟應用。

　　本文討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、泛型中資料型別的約束、泛型中靜態成員使用要注意的問題、泛型中方法過載的問、泛型方法等，通過這些使我們可以大致瞭解泛型並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，經常遇到兩個模組的功能非常相似，只是一個是處理int資料，另一個是處理string資料，或者其他自定義的資料型別，但 我們沒有辦法，只能分別寫多個方法處理每個資料型別，因為方法的引數型別不同。有沒有一種辦法，在方法中傳入通用的資料型別，這樣不就可以合併程式碼了嗎？ 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。

　　為什麼要使用泛型
    泛型是 2.0 版 C# 語言和公共語言執行庫 (CLR) 中的一個新功能。泛型將型別引數的概念引入 .NET Framework，型別引數使得設計如下類和方法成為可能：這些類和方法將一個或多個型別的指定推遲到客戶端程式碼宣告並例項化該類或方法的時候。例如， 通過使用泛型型別引數 T，您可以編寫其他客戶端程式碼能夠使用的單個類，而不致引入執行時強制轉換或裝箱操作的成本或風險
　　為了瞭解這個問題，我們先看下面的程式碼，程式碼省略了一些內容，但功能是實現一個棧，這個棧只能處理int資料型別：

public class Stack
{
　private int[] items;
private int count;
public Stack(int size)
{
     items = new int[size];
     count = 0;
}
　public void Push(int x)
{
     //為了程式碼清晰及只簡單熟悉泛型因此不考慮堆疊時超出陣列大小的情況
     items[count++]=x;
}
　public int Pop()
{
     //為了程式碼清晰及只簡單熟悉泛型因此不考慮出棧時超出陣列已為空的情況
     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())
}
}

　　上面程式碼執行的很好，但是，當我們需要一個棧來儲存string型別時，該怎麼辦呢？很多人都會想到把上面的程式碼複製一份，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型別的棧該怎樣做 呢？還要再複製嗎？優秀的程式設計師會想到用一個通用的資料型別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，他非常靈活，可以接收任何資料型別，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處理值型別時，會出現裝箱、折箱操作，這將在託管堆上分配和回收大量的變數，若資料量大，則效能損失非常嚴重。在處理引用型別時，雖然沒有裝箱和折箱操作，但將用到資料型別的強制轉換操作，增加處理器的負擔。

在資料型別的強制轉換上還有更嚴重的問題（假設stack是Stack的一個例項）：

Node1 n1 = new Node1();
stack.Push(n1);
Node2 n2 = (Node2)stack.Pop();

上面的程式碼在編譯時是完全沒問題的，但由於Push了一個Node1型別的資料，但在Pop時卻要求轉換為Node2型別，這將出現程式執行時的型別轉換異常，但卻逃離了編譯器的檢查。

　　針對object型別棧的問題，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型別T來代替object，在類例項化時指定T的型別，執行時（Runtime）自動編譯為原生程式碼，執行效率和程式碼質量都有很大提高，並且保證資料型別安全。

　　使用泛型

　　下面是用泛型來重寫上面的棧，用一個通用的資料型別T來作為一個佔位符，等待在例項化時用一個實際的型別來代替。讓我們來看看泛型的威力：

public class Stack
{
　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，只是引入了通用資料型別T就可以適用於任何資料型別，並且型別安全的。這個類的呼叫方法：

//例項化只能儲存int型別的類

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

//例項化只能儲存string型別的類

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

這個類和object實現的類有截然不同的區別：
1. 他是型別安全的。例項化了int型別的棧，就不能處理string型別的資料，其他資料型別也一樣。
2. 無需裝箱和折箱。這個類在例項化時，按照所傳入的資料型別生成原生程式碼，原生程式碼資料型別已確定，所以無需裝箱和折箱。
3. 無需型別轉換。

　　泛型概述
1.使用泛型型別可以最大限度地重用程式碼、保護型別的安全以及提高效能。
2.泛型最常見的用途是建立集合類。
3..NET Framework 類庫在 System.Collections.Generic 名稱空間中包含幾個新的泛型集合類。應儘可能地使用這些類來代替普通的類，如 System.Collections 名稱空間中的 ArrayList。
4.您可以建立自己的泛型介面、泛型類、泛型方法、泛型事件和泛型委託。
5.可以對泛型類進行約束以訪問特定資料型別的方法。
6.關於泛型資料型別中使用的型別的資訊可在執行時通過反射獲取。

//上面的示例已簡單說明了泛型的特性如欲想深入瞭解可以看下面的理論及擴充套件知識
　　泛型類例項化的理論

　　C#泛型類在編譯時，先生成中間程式碼IL，通用型別T只是一個佔位符。在例項化類時，根據使用者指定的資料型別代替T並由即時編譯器（JIT）生 成原生程式碼，這個原生程式碼中已經使用了實際的資料型別，等同於用實際型別寫的類，所以不同的封閉類的原生程式碼是不一樣的。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別不同的資料型別。

　　例：Stack和Stack是兩個完全沒有任何關係的類，你可以把他看成類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。

　　泛型類中資料型別的約束

　　程式設計師在編寫泛型類時，總是會對通用資料型別T進行有意或無意地有假想，也就是說這個T一般來說是不能適應所有型別，但怎樣限制呼叫者傳入的數 據型別呢？這就需要對傳入的資料型別進行約束，約束的方式是指定T的祖先，即繼承的介面或類。因為C#的單根繼承性，所以約束可以有多個介面，但最多隻能 有一個類，並且類必須在介面之前。這時就用到了C#2.0的新增關鍵字：

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

　　以上的泛型類的約束表明，T必須是從Stack和IComparable繼承，V必須是Stack或從Stack繼承，否則將無法通過編譯器的型別檢查，編譯失敗。

　　通用型別T沒有特指，但因為C#中所有的類都是從object繼承來，所以他在類Node的編寫中只能呼叫object類的方法，這給程式的編 寫造成了困難。比如你的類設計只需要支援兩種資料型別int和string，並且在類中需要對T型別的變數比較大小，但這些卻無法實現，因為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裡就可以對T的例項執行CompareTo方法了。 這個問題可以擴充套件到其他使用者自定義的資料型別。

　　如果在類Node裡需要對T重新進行例項化該怎麼辦呢？因為類Node中不知道類T到底有哪些建構函式。為了解決這個問題，需要用到new約束：

public class Node where T : Stack, new()

where V: IComparable

　　需要注意的是，new約束只能是無引數的，所以也要求相應的類Stack必須有一個無參建構函式，否則編譯失敗。

　　C#中資料型別有兩大類：引用型別和值型別。引用型別如所有的類，值型別一般是語言的最基本型別，如int, long, struct等，在泛型的約束中，我們也可以大範圍地限制型別T必須是引用型別或必須是值型別，分別對應的關鍵字是class和struct:

public class Node 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，他可根據方法引數的型別自動適應各種引數，這樣的方法叫泛型方法。看下面的類：

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

　　原來的類Stack一次只能Push一個資料，這個類Stack2擴充套件了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，這個方法的呼叫示例如下：

Stack x = new Stack(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

　　泛型中的靜態成員變數

　　在C#1.x中，我們知道類的靜態成員變數在不同的類例項間是共享的，並且他是通過類名訪問的。C#2.0中由於引進了泛型，導致靜態成員變數的機制出現了一些變化：靜態成員變數在相同封閉類間共享，不同的封閉類間不共享。

　　這也非常容易理解，因為不同的封閉類雖然有相同的類名稱，但由於分別傳入了不同的資料型別，他們是完全不同的類，比如：

Stack a = new Stack();
Stack b = new Stack();
Stack c = new Stack();

　　類例項a和b是同一型別，他們之間共享靜態成員變數，但類例項c卻是和a、b完全不同的型別，所以不能和a、b共享靜態成員變數。

　　泛型中的靜態建構函式

　　靜態建構函式的規則：只能有一個，且不能有引數，他只能被.NET執行時自動呼叫，而不能人工呼叫。

　　泛型中的靜態建構函式的原理和非泛型類是一樣的，只需把泛型中的不同的封閉類理解為不同的類即可。以下兩種情況可激發靜態的建構函式：

　　1. 特定的封閉類第一次被例項化。

　　2. 特定封閉類中任一靜態成員變數被呼叫。

　　泛型類中的方法過載

　　方法的過載在.Net Framework中被大量應用，他要求過載具有不同的簽名。在泛型類中，由於通用型別T在類編寫時並不確定，所以在過載時有些注意事項，這些事項我們通過以下的例子說明：

public class Node
{
　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方法將具有同樣的簽名，但這個類仍然能通過編譯，是否會引起呼叫混淆將在這個類例項化和呼叫add方法時判斷。請看下面呼叫程式碼：

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

　　這個Node的例項化引起了三個add具有同樣的簽名，但卻能呼叫成功，因為他優先匹配了第三個add。但如果刪除了第三個add，上面的呼叫程式碼則無法編譯通過，提示方法產生的混淆，因為執行時無法在第一個add和第二個add之間選擇。

Node node = new Node();
object x = node.add(2, "11");

　　這兩行呼叫程式碼可正確編譯，因為傳入的string和int，使三個add具有不同的簽名，當然能找到唯一匹配的add方法。

　　由以上示例可知，C#的泛型是在例項的方法被呼叫時檢查過載是否產生混淆，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過載一樣，請參考泛型類的方法過載。

　　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、介面、結構（struct）、委託等上面使用，使用方法大致相同，就不再講述。

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