C#基础篇之泛型

C#泛型简介

• 所谓泛型，即通过参数化类型来实现在同一份代码上操作多种数据类型。泛型编程是一种编程范式，它利用“参数化类型”将类型抽象化，从而实现更为灵活的复用。
• C#泛型赋予了代码更强的类型安全，更好的复用，更高的效率，更清晰的约束。

C#泛型演示

class Stack<T> {
	private T[] store;
	private int size;
	public Stack() {
		store = new T[10];
		size = 0;
	}
	public void Push(T x) {
		store[size++] = x;
	}
	public T Pop() {
		return store[--size];
	}
}

Stack<int> x = new Stack<int>();
x.Push(17);

C#泛型机制简介
• C#泛型能力由CLR在运行时支持，区别于C++的编译时模板机制，和Java的编译时“搽拭法”。这使得泛型能力可以在各个支持CLR的语言之间进行无缝的互操作。
• C#泛型代码在被编译为IL代码和元数据时，采用特殊的占位符来表示泛型类型，并用专有的IL指令支持泛型操作。而真正的泛型实例化工作以“on-demand” 的方式，发生在JIT编译时。

C#泛型编译机制
• 第一轮编译时，编译器只为Stack<T>类型产生“泛型版”的IL代码与元数据——并不进行泛型类型的实例化，T在中间只充当占位符
• JIT编译时，当JIT编译器第一次遇到Stack<int>时，将用int替换“泛型版”IL代码与元数据中的T——进行泛型类型的实例化。
• CLR为所有类型参数为“引用类型”的泛型类型产生同一份代码；但如果类型参数为“值类型”，对每一个不同的“值类型”，CLR将为其产生一份独立的代码

C#泛型的几个特点
• 如果实例化泛型类型的参数相同，那么JIT编译器会重复使用该类型，因此C#的动态泛型能力避免了C++静态模板可能导致的代码膨胀的问题。
• C#泛型类型携带有丰富的元数据，因此C#的泛型类型可以应用于强大的反射技术。
• C#的泛型采用“基类, 接口, 构造器, 值类型/引用类型”的约束方式来实现对类型参数的“显式约束”，提高了类型安全的同时，也丧失了C++模板基于“签名”的隐式约束所具有的高灵活性。

C#泛型类与结构

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

C#除可单独声明泛型类型（包括类与结构）外，也可在基类中包含泛型类型的声明。但基类如果是泛型类，它的类型参数要么已实例化，要么来源于子类（同样是泛型类型）声明的类型参数。

泛型类型的成员

class C<V>{
	public V f1; //声明字段
	public D<V> f2; //作为其他泛型类型的参数
	public C(V x) {
		this.f1 = x;
	}
}

泛型类型的成员可以使用泛型类型声明中的类型参数。但类型参数如果没有任何约束，则只能在该类型上使用从System.Object继承的公有成员。

泛型接口

interface IList<T> {
	T[] GetElements();
}
interface IDictionary<K,V> {
	void Add(K key, V value);
}
// 泛型接口的类型参数要么已实例化，
// 要么来源于实现类声明的类型参数
class List<T> : IList<T>, IDictionary<int, T> {
	public T[] GetElements() { return null; }
	public void Add(int index, T value) { }
}

泛型委托

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

泛型委托支持在委托返回值和参数上应用参数类型，这些参数类型同样可以附带合法的约束。

泛型方法简介
• C#泛型机制只支持“在方法声明上包含类型参数”——即泛型方法
• C#泛型机制不支持在除方法外的其他成员（包括属性、事件、索引器、构造器、析构器）的声明上包含类型参数，但这些成员本身可以包含在泛型类型中，并使用泛型类型的类型参数
• 泛型方法既可以包含在泛型类型中，也可以包含在非泛型类型中

泛型方法的声明与调用

public class Finder {
	// 泛型方法的声明
	public static int Find<T> ( T[] items, T item) {
		for(int i=0;i<items.Length;i++){
			if (items[i].Equals(item)) { return i; }
		}
		return -1;
	}
}
// 泛型方法的调用
int i=Finder.Find<int> ( new int[]{1,3,4,5,6,8,9}, 6);

泛型方法的重载

class MyClass {
	void F1<T>(T[] a, int i); // 不可以构成重载方法
	void F1<U>(U[] a, int i);
	void F2<T>(int x); //可以构成重载方法
	void F2(int x);
	void F3<T>(T t) where T : A; //不可以构成重载方法
	void F3<T>(T t) where T : B;
}

泛型方法的重写

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 Derived: Base{
	//合法的重写，约束被默认继承
	public override X F<X,Y>(X x, Y y) { }
	//非法的重写，指定任何约束都是多余的
	public override T G<T>(T t) where T: IComparable {}
}

泛型约束简介
• C#泛型要求对“所有泛型类型或泛型方法的类型参数”的任何假定，都要基于“显式的约束”，以维护C#所要求的类型安全。
• “显式约束”由where子句表达，可以指定“基类约束”，“接口约束”，“构造器约束”，“值类型/引用类型约束”共四种约束。
• “显式约束”并非必须，如果没有指定“显式约束”，泛型类型参数将只能访问System.Object类型中的公有方法。

基类约束

class A { public void F1() {…} }
class B { public void F2() {…} }
class C<S,T> 
     where S: A // S继承自A
     where T: B // T继承自B
{
	// 可以在类型为S的变量上调用F1，
	// 可以在类型为T的变量上调用F2
	…
}

接口约束

interface IPrintable { void Print(); }
interface IComparable<T> { int CompareTo(T v);}
interface IKeyProvider<T> { T GetKey(); }
class Dictionary<K,V>
	where K: IComparable<K>
	where V: IPrintable, IKeyProvider<K>
{
	// 可以在类型为K的变量上调用CompareTo，
	// 可以在类型为V的变量上调用Print和GetKey
	…
}

构造器约束

class A { public A() { } }
class B { public B(int i) { } }
class C<T>
	where T : new()
{
	//可以在其中使用T t=new T();
	…
}
C<A> c=new C<A>(); //可以，A有无参构造器
C<B> c=new C<B>(); //错误，B没有无参构造器

值类型/引用类型约束

public struct A { … }
public class B { … }
class C<T>
	where T : struct
{
	// T在这里面是一个值类型
	…
}
C<A> c=new C<A>(); //可以，A是一个值类型
C<B> c=new C<B>(); //错误，B是一个引用类型

总结
• C#的泛型能力由CLR在运行时支持，它既不同于C++在编译时所支持的静态模板，也不同于Java在编译器层面使用“搽拭法”支持的简单的泛型。
• C#的泛型支持包括类、结构、接口、委托共四种泛型类型，以及方法成员。
• C#的泛型采用“基类, 接口, 构造器, 值类型/引用类型”的约束方式来实现对类型参数的“显式约束”，它不支持C++模板那样的基于签名的隐式约束。