泛型的约束不止一面

1.介绍

泛型中的约束，其实就是针对类型参数的约束，限制类型参数的选择只能在某个特定范围内。其中的体现包括：限制类型参数必须是一个结构、限制类型参数必须是某个具体类型、限制类型参数必须派生自某个基类等等。在默认情况下，定义的泛型没有任何约束，这意味着在调用泛型时，可以使用任何数据类型作为类型参数。如果定义了约束，则在应用端调用泛型时，不传入符合约束条件的类型参数，编译器将提示错误。通过这种约束实现了编译前类型检查，确保了泛型在运行时对类型参数使用的安全性。

以上说的这种限制性的作用，只能体现约束表面的用意，这种用意是比较浅显易懂。但实际上泛型的约束还有另一层的用意：“定义约束可以告知编译器，类型参数具备了哪些能力”。我们在为某个泛型类或泛型方法编码时，面向的类型参数T，其实类似是一个模糊神秘的事物，因为你根部不会知道它有什么能力（属性、方法等成员），如果你想在编写泛型时使用类型参数T的某些能力，那么你就可以通过定义约束来实现。例如，你想要类型参数T调用“比较大小”的方法从而帮助你实现排序算法，你就可以定义一个泛型的约束：“要求类型参数必须实现IComparer接口”。这样一来，你的类型参数T，就能够在你编写泛型类的代码中“.”出Compare（比较的方法）。

基于上面对类型参数定义约束的用意分析，我针对约束主要的作用总结出以下两点：

1. 对外部使用形成了限制条件，从而确保泛型的类型安全；
2. 对内部使用提供了更多能力，从而丰富功能的实现；

以上通过文字描述的形式介绍了泛型中类型参数的约束，为了更加形象的体会其中的含义和作用，下面我将通过代码示例的形式介绍类型参数定义约束的使用方式。

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2.示例

假设我们在一个开发游戏的背景下，游戏比较简单，其中目前有两个职业：剑士和狙击手，并且后期随着游戏的普及会增加更多的职业。由于是战斗类型的游戏，所有每个职业都会使用特定的武器进行攻击，从而实现战斗的体验。对于该游戏职业设计相关的类图如下：

 

由于这只是一个为了讲解泛型约束的一个示例，所以并没有采用复杂的设计。由于剑士和狙击手两个职业都有相同的攻击行为，故而将攻击定义为了一个接口，具体的攻击内容将交由这两个职业类去实现。根据以上的类图的设计，相应的代码如下：

    //攻击接口
    interface IAttack
    {
        void MeleeAttacks();  //近战攻击
    }

    //剑士
    class Swordman: IAttack
    {
        public Swordman() => Sword = "倚天剑";

        public string Sword { get; set; }
        public void MeleeAttacks()
        {
            Console.WriteLine("使用{0}进行刺击。", Sword);
        }
    }

    
    //狙击手
    class Sniper : IAttack
    {
        public Sniper() => Gun = "98k狙击步枪";
        public string Gun { get; set; } //枪
 
        public void MeleeAttacks()
        {
            Console.WriteLine("使用{0}进行射击。", Gun);
        }
    }

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3.能力

假设我们的游戏示例是一款战斗类型的游戏，那么其中所有的职业都需要进行战斗。对于这个共同的行为，正好可以借鉴泛型的使用思想：即不同类型存在相同处理逻辑，那么可以使用泛型作为一个代码模板，从而实现不同类型的通用化处理。我们计划将战斗的行为定义成一个泛型类，由这个泛型类统一实现各个职业的战斗。然而在编写战斗泛型类的时候，由于战斗必须要使用职业的攻击方法，但是我们在内部调用类型参数T并不能获取到相应的方法，编译器视乎将类型参数T看成了一个object类型。

怎么办？究竟如何能够在战斗泛型类中调用游戏角色的攻击方法呢？这个时候就轮到本文的主题“泛型的约束”闪亮登场了，接下来我们将针对战斗泛型类定义一个约束，在泛型类中使用类型参数T调用出攻击的方法：

    /// <summary>
    /// 各个职业的战斗
    /// </summary>
    class Combat<T> where T :IAttack
    {
        public Combat(T combatant)
        {
            _combatant = combatant;
        }
        private T _combatant;//参战者

        public void Action()
        {
            Console.WriteLine("战斗开始");
            _combatant.MeleeAttacks();
            Console.WriteLine("战斗结束");
        }

    }

果不其然，成功的在战斗泛型类中调用了角色的攻击方法，这是因为设置了约束，类型参数T就可以根据约束的类型获取相应的能力。这一点也正好可以印证了本文开头总结泛型约束的作用之一：“对内部使用提供了更多能力，从而丰富功能的实现”。示例的代码已经基本编写完成，接下来我们就可以在应用端，使用战斗泛型类针对不同的角色实施战斗行为了。

 

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4.安全

假设你的小伙伴正在另一头在编写游戏中关于NPC部分的代码，他得知你编写了可以实现各种职业进行战斗的泛型类，于是乎他悄悄的使用一个NPC的对象来使用你的战斗泛型类。但是NPC在实际的需求中并没有实现攻击接口。NPC类的代码结构如下：

我们在假定，泛型的约束不能够对外部传入的类型参数(NPC类)起到限制作用。那么这个NPC的“战斗”情况可想而知，NPC是没有主动攻击的方法的，他盲目的使用战斗泛型类，只会无情的面临“死亡”。还好，我们定义的类型参数约束对此进行了把关，我们约束的规则是：要求类型参数必须实现攻击接口。而NPC并没有实现攻击接口，所以对于NPC使用战斗泛型类时编译器会提示错误。

 

通过NPC滥用泛型类的这个示例，就可以从分的体现出本文开头总结泛型约束的作用之一：“对外部使用形成了限制条件，从而确保泛型的类型安全”。

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5.结语

理解泛型的约束，可能会觉得它是很语义化、片面化的东西。殊不知，其实泛型约束在实际中最有作用的是，为类型参数提供能力，让我们在编码的过程中更有针对性。所以学习不能只求表面，必须通过反复思考，才能让获取的知识更加立体。

对于泛型约束的使用方式，除了本文示例中要求实现一个特定接口的方式，另外还有很多使用方式。我们不可能将每一个使用细节了然于心，但是必须搞清楚事物的本质，以致于知道为什么有它的存在、在什么样的情况下使用它。当不同的应用场景发生时，我们在结合当下应用场景的实际情况，通过查阅文档来制定具体的方针。