《NET CLR via C#》---第十二章（泛型）
泛型（generic）是CLR和编程语言提供的一种特殊机制，它支持另一种形式的代码重用，即“算法重用”。
简单来说，开发人员先定义好算法，必然排序、搜索、交换、比较或者转换等。但是，定义算法的开发人员并不设定该算法要操作什么数据类型；该算法可广泛地应用于不同类型的对象。
泛型为开发人员提供了以下优势：
- 源代码保护：使用泛型算法的开发人员不需要访问算法的源代码。然后，使用C++模板的泛型技术时，算法的源代码必须提供给准备使用算法的用户。
- 类型安全：将泛型算法应用于一个具体的类型时，编译器和CLR能理解开发人员的意图，并保证只有与指定数据类型兼容的对象才能用于算法。
- 更清晰的代码：由于编译器强制类型安全性，所以减少了源代码中必须进行的强制类型转换次数，使代码更容易编写和维护。
- 更佳的性能：没有泛型的时候，要想定义常规化的算法，它的所有成员都要定义成操作Object数据类型。要用这个算法来操作值类型的实例，CLR必须在调用算法的成员之前对值类型实例进行装箱。
为了理解性能优化，我们可以通过如下的代码进行测试：
using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
ValueTypePerfTest();
ReferenceTypePerfTest();
}
private static void ValueTypePerfTest()
{
const int count = 100000000;
using(new OperationTimer("List<int>"))
{
List<int> l = new List<int>();
for (int i = 0; i < count; i++)
{
l.Add(i);
int x = l[i];
}
l = null;
}
using (new OperationTimer("ArrayList of int"))
{
ArrayList l = new ArrayList();
for (int i = 0; i < count; i++)
{
l.Add(i); // 装箱
int x = (int)l[i]; // 拆箱
}
l = null;
}
}
private static void ReferenceTypePerfTest()
{
const int count = 100000000;
using (new OperationTimer("List<string>"))
{
List<string> l = new List<string>();
for (int i = 0; i < count; i++)
{
l.Add("X");
string x = l[i];
}
l = null;
}
using (new OperationTimer("ArrayList of string"))
{
ArrayList l = new ArrayList();
for (int i = 0; i < count; i++)
{
l.Add("X");
string x = (string)l[i];
}
l = null;
}
}
}
internal sealed class OperationTimer : IDisposable
{
private Stopwatch stopwatch;
private string text;
private int collectionCollect;
public OperationTimer(string text)
{
PrepareForOperation();
this.text = text;
collectionCollect = GC.CollectionCount(0);
stopwatch = Stopwatch.StartNew();
}
public void Dispose()
{
Console.WriteLine($"{stopwatch.Elapsed} (GCs={GC.CollectionCount(0) - collectionCollect}) {text}");
}
private static void PrepareForOperation()
{
GC.Collect();
GC.WaitForPendingFinalizers();
GC.Collect();
}
}
最后会得到如下输出：
很明显，在操作值类型时，泛型算法比非泛型算法快了近乎11倍了。此外用ArrayList操作值类型，会造成大量装箱，最终要进行293次垃圾回收。
不过，引用类型，差异则没有那么明显了，GC一样都是0，时间虽然泛型略快一点，但也不像值类型有这么大的差距。
开放类型和封闭类型
具有泛型类型参数的类型仍然是类型，CLR同样会为它创建内部的类型对象。这一点适合引用类型，值类型，接口类型和委托类型。然而，具有泛型类型参数的类型称为开放类型，CLR禁止构造开放开放类型的任何实例。
代码引用泛型类型时可指定一组泛型类型参数。为所有类型参数都传递了实际的数据类型，类型就称为封闭类型。CLR允许构造封闭类型的实例。例如以下例子中，我分别尝试用反射的方法去实例化一个开放类型和封闭类型：
using System;
using System.Collections.Generic;
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
try
{
Type t1 = typeof(Dictionary<,>);
var o1 = Activator.CreateInstance(t1);
Console.WriteLine($"{t1.ToString()}实例化传功");
}
catch(ArgumentException e)
{
Console.WriteLine(e);
}
try
{
Type t2 = typeof(Dictionary<int, int>);
var o2 = Activator.CreateInstance(t2);
Console.WriteLine($"{t2.ToString()}实例化传功");
}
catch(ArgumentException e)
{
Console.WriteLine(e);
}
}
}
--------输出结果------
ystem.ArgumentException: Cannot create an instance of System.Collections.Generic.Dictionary`2[TKey,TValue] because Type.ContainsGenericParameters is true.
at System.RuntimeType.CreateInstanceCheckThis()
at System.RuntimeType.CreateInstanceDefaultCtor(Boolean publicOnly, Boolean skipCheckThis, Boolean fillCache, Boolean wrapExceptions)
at System.Activator.CreateInstance(Type type, Boolean nonPublic, Boolean wrapExceptions)
at System.Activator.CreateInstance(Type type)
at Program.Main(String[] args) in C:\Users\LH89\source\repos\ConsoleApp3\Program.cs:line 13
System.Collections.Generic.Dictionary`2[System.Int32,System.Int32]实例化传功
可以看出，只有封闭类型才能实例化成功。从输出类型可以看出，类型名以“`”字符和一个数字结尾。数字代表类型的元数，也就是类型要求的类型参数个数。
还要注意，CLR会在类型对象内部分配类型的静态字段。因此，每个封闭类型都有自己的静态字段。换言之，假如List<T>定义了任何静态字段，则List<int>和List<string>不会共享这些静态字段。另外，假如泛型类型定义了静态构造器，那么针对每个封闭类型，这个构造器都会执行一次。
泛型类型和继承
泛型类型仍然是类型，所以能从其他任何类型派生。使用泛型类型并指定类型实参时，实际是在CLR中定义了一个新的类型对象，新的类型对象从泛型类型派生自的那个类型派生。
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
TypeNode<int> a = new TypeNode<int>();
TypeNode<string> b = new TypeNode<string>();
Node start = new Node();
start.next = a;
start.next.next = b;
}
}
public class Node
{
public Node next;
}
public class TypeNode<T> : Node { }
例如上例中，Node<int>和Node<string>都继承Node基类，我们也可以利用到多态的特点，将值类型和引用类型装入同一个链表中，同时避免了值类型装箱拆箱的特点。
同一性
为了对语法进行增强，有的开发人员定义了一个新的非泛型类类型，它从一个泛型类型派生，并指定了所有类型实参，例如：
public class DateTimeList : List<DateTime> { }
此时就可以简化创造列表代码：
List<DateTime> list1 = new List<DateTime>(); ->
DateTimeList list2 = new DateTimeList();
这样做表面上是简化了代码书写，但其实不妥！绝对不要出于增强源码可读性的目的来定义一个新类。这样会散失同一性（identity）和相等性（equivalence），例如我们此时比较 list1.GetType() == list2.GetType()，会返回一个false，因为比较的是不同类型的两个对象。这也意味着如果方法的原型接受一个DateTimeList，我们无法把List<DateTime>传给他，这会导致开发非常混乱。
C#也考虑到了泛型的书写困难，所以他提供了简化的语法来引用泛型封闭类型，例如我们可以在源文件顶部这样声明，就不会丧失同一性也能保证代码可读性：
using DateTimeList = System.Collections.Generic.List<System.DateTime>;
代码爆炸
使用泛型类型参数的方法在进行JIT编译时，CLR获取方法的IL，用指定的类型实参替换，然后创建恰当的本机代码。这样有个缺点：CLR要为每种不同的方法/类型组合生成本机代码，这种现象称为代码爆炸。它会使得应用程序的工作集显著增大，从而损害性能。
幸好，CLR采用了一些优化措施缓解了代码爆炸：
- 假如为特定的类型实参调用了一个方法，以后再用相同的类型实参调用这个方法，CLR只会为这个方法/类型组合编译一次代码。
- CLR认为所有引用类型实参都完全相同，所以代码能够共享。例如，CLR为List<String>的方法编译的代码可直接用于List<Stream>的方法，因为String和Stream均为引用类型。CLR之所以能执行这个优化，是因为所有引用类型的实参或变量实际只是指向堆上对象的指针，而所有对象指针都以相同的方式操纵。
但如果类型实参是值类型，CLR就必须专门为那个值类型生成本机代码。这是因为值类型的大小不定。即使2个值类型大小一样（比如int32和uint32，都是32位），CLR仍然无法共享代码，因为可能要用不同的本机CPU指令来操纵这些值。
泛型接口
没有泛型接口，每次用非泛型接口（入IComparable）来操纵值类型都会发生装箱，而且会失去编译时的类型安全性。因此，CLR提供了对泛型接口的支持，例如：
public interface IAnimal<T>
{
T animal { get; }
}
public class Dog : IAnimal<Dog>
{
public Dog animal => new Dog();
}
public class Number : IAnimal<int>
{
public int animal => 0;
}
泛型委托
CLR支持泛型委托，目的是保证任何类型的对象都能以类型安全的方式传给回调方法。此外，泛型委托允许值类型实例在传给回调方法时不进行任何装箱。
具体例子先暂时跳过，看完17章泛型再来补充
泛型方法
泛型方法的存在，为开发人员提供了极大的灵活性。例如：
private void Swap<T>(ref T o1, ref T o2)
{
T temp = o1;
o1 = o2;
o2 = temp;
}
有一点要注意的是，作为out/ref实参传递的变量必须具有与方法参数相同的类型，以防止损坏类型安全性。
可验证性和约束
约束的作用是限制能指定成泛型实参的类型数量。通过限制类型的数量，可以对那些类型指向更多操作。例如：
public static T Min<T>(T o1, T o2) where T : IComparable<T>
{
if(o1.CompareTo(o2) < 0)
{
return o1;
}
return o2;
}
C#的where关键字告诉编译器，为T指定的任何类型都必须实现同类型（T）的泛型IComparable接口。有了这个约束，就可以在方法中调用CompareTo，因为已知IComparable<T>接口定义了CompareTo。
约束可应用于泛型类型的类型参数，也可应用于泛型方法的类型参数。CLR不允许基于类型参数名称或约束来进行重载；只能基于元数（类型参数个数）对类型或方法进行重载。
重写虚泛型方法时，重写的方法必须指定相同数量的类型参数，而且这些类型参数会继承在基类方法指定的约束上，事实上，根本不允许为重写的方法的类型参数指定任何约束。单类型参数的名称是可以改变的。
主要约束
类型参数可以指定零个或者一个主要约束。主要约束可以是代表非密封类的一个引用类型。不能指定以下特殊引用类型：System.Object，System.Array，System.Delegate，System.MulticastDelegate，System.ValueType，System.Enum或者System.Void。
指定引用类型约束时，相当于向编译器承诺：一个指定的类型实参要么是与约束类型相同的类型，要么是从约束类型派生的类型。例如：
public static T Min<T>(T o1, T o2) where T : List<int>
{
return o1.Count < o2.Count ? o1 : o2;
}
有两个特殊的主要约束：class和struct。
class约束：向编译器承诺类型实参是引用类型。（任何类类型、接口类型、委托类型或者数组类型都满足这个约束）
struct约束：向编译器承诺类型实参是值类型。（包括枚举在内的任何值类型都满足这个约束，但编译器和CLR将任何System.Nullable<T>值类型视为特殊类型，不满足这个struct约束）
原因是Nullable<T>类型将它的类型参数约束为struct，而CLR希望禁止像Nullable<Nullable<T>>这样的递归类型。
次要约束
类型参数可以指定零个或者多个次要约束，次要约束代表接口类型。这种约束向编译器承诺，类型实参实现了接口，由于能指定多个接口约束，所以类型实参必须实现了所有接口约束。
还有一种次要约束称为类型参数约束，有时也称为裸类型约束。它允许一个泛型类型或方法规定：指定的类型实参要么是约束的类型，要么是约束的类型的派生类。例如：
private static List<TBase> ConvertIList<T, TBase>(IList<T> list) where T : TBase
{
List<TBase> baseList = new List<TBase>(list.Count);
foreach(var item in list)
{
baseList.Add(item);
}
return baseList;
}
构造器约束
类型参数可指定零个或一个构造器约束，它向编译器承诺类型实参是实现了公共无参构造器的非抽象类型。例如：
private class ConstructorConstaint<T> where T : new()
{
public static T Factory()
{
return new T();
}
}
本文作者：陈侠云
本文链接：https://www.cnblogs.com/chenxiayun/p/18396580
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