C#泛型编程

泛型：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。利用“参数化类型”将类型抽象化，从而实现灵活的复用。

例子代码：

class PRogram

    {

        static void Main(string[] args)

        {

            int obj = 2;

            Test test = new Test(obj);

            Console.WriteLine("int:" + test.obj);

            string obj2 = "hello world";

            Test test1 = new Test(obj2);

            Console.WriteLine("String:" + test1.obj);

            Console.Read();

        }

    }



    class Test

    {

        public T obj;

        public Test(T obj)

        {

            this.obj = obj;

        }

}

    输出结果是：

    int:2

String:hello world



程序分析：

1、  Test是一个泛型类。T是要实例化的范型类型。如果T被实例化为int型，那么成员变量obj就是int型的，如果T被实例化为string型，那么obj就是string类型的。

2、  根据不同的类型，上面的程序显示出不同的值。



C#泛型机制：

C#泛型能力有CLR在运行时支持：C#泛型代码在编译为IL代码和元数据时，采用特殊的占位符来表示范型类型，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。



看看刚才的代码中Main函数的元数据

.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 test,

           [2] string obj2,

           [3] class CSharpStudy1.Test`1 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::.ctor(!0)

  IL_0009:  stloc.1

  IL_000a:  ldstr      "int:"

  IL_000f:  ldloc.1

  IL_0010:  ldfld      !0 class CSharpStudy1.Test`1::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::.ctor(!0)

  IL_0031:  stloc.3

  IL_0032:  ldstr      "String:"

  IL_0037:  ldloc.3

  IL_0038:  ldfld      !0 class CSharpStudy1.Test`1::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



    再来看看Test类中构造函数的元数据

.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::obj

  IL_000f:  nop

  IL_0010:  ret

} // end of method Test`1::.ctor



1、第一轮编译时，编译器只为Test类型产生“泛型版”的IL代码与元数据——并不进行泛型的实例化，T在中间只充当占位符。例如：Test类型元数据中显示的

2、JIT编译时，当JIT编译器第一次遇到Test时，将用int替换“范型版”IL代码与元数据中的T——进行泛型类型的实例化。例如：Main函数中显示的

3、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；但是如果类型参数为“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。因为实例化一个引用类型的泛型，它在内存中分配的大小是一样的，但是当实例化一个值类型的时候，在内存中分配的大小是不一样的。



C#泛型特点：

1、如果实例化泛型类型的参数相同，那么JIT编辑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。

2、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。

3、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“显示约束”，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#泛型继承：

C#除了可以单独声明泛型类型（包括类与结构）外，也可以在基类中包含泛型类型的声明。但基类如果是泛型类，它的类型要么以实例化，要么来源于子类（同样是泛型类型）声明的类型参数，看如下类型

class C

class D:C

class E:C

class F:C

class G:C  //非法

E类型为C类型提供了U、V，也就是上面说的来源于子类

F类型继承于C，个人认为可以看成F继承一个非泛型的类

G类型为非法的，因为G类型不是泛型，C是泛型，G无法给C提供泛型的实例化



泛型类型的成员：

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。如下图：




泛型接口：

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



泛型委托：

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

delegate bool MyDelegate(T value);

class MyClass

{

    static bool F(int i){...}

    static bool G(string s){...}

    static void Main()

    {

        MyDelegate p2 = G;

        MyDelegate p1 = new MyDelegate(F);

    }

}



泛型方法：

1、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。

2、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。

3、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。



泛型方法声明：如下

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



泛型方法的重载：

public void Function1(T a);

public void Function1(U a);

这样是不能构成泛型方法的重载。因为编译器无法确定泛型类型T和U是否不同，也就无法确定这两个方法是否不同



public void Function1(int x);

public void Function1(int x);

这样可以构成重载



public void Function1(T t) where T:A;

public void Function1(T t) where T:B;

这样不能构成泛型方法的重载。因为编译器无法确定约束条件中的A和B是否不同，也就无法确定这两个方法是否不同



泛型方法重写：

在重写的过程中，抽象类中的抽象方法的约束是被默认继承的。如下：

abstract class Base

{

    public abstract T F(T t,U u) where U:T;

    public abstract T G(T t) where T:IComparable;

}



class MyClass:Base

{

    public override X F(X x,Y y){...}

    public override T G(T t) where T:IComparable{}

}

对于MyClass中两个重写的方法来说

F方法是合法的，约束被默认继承

G方法是非法的，指定任何约束都是多余的



泛型约束：

1、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。

2、“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。

3、“显式约束”并非必须，如果没有指定“显式约束”，范型类型参数将只能访问System.Object类型中的公有方法。例如：在开始的例子中，定义的那个obj成员变量。比如我们在开始的那个例子中加入一个Test1类，在它当中定义两个公共方法Func1、Func2，如下图：






下面就开始分析这些约束：

基类约束：

class A

    {

        public void Func1()

        { }

    }



    class B

    {

        public void Func2()

        { }

    }



    class C

        where S : A

        where T : B

    {

        public C(S s,T t)

        {

            //S的变量可以调用Func1方法

            s.Func1();

            //T的变量可以调用Func2方法

            t.Func2();

        }

    }

接口约束：

interface IA

    {

        T Func1();

    }



    interface IB

    {

        void Func2();

    }



    interface IC

    {

        T Func3();

    }



    class MyClass

        where T : IA

        where V : IB, IC

    {

        public MyClass(T t,V v)

        {

            //T的对象可以调用Func1

            t.Func1();

            //V的对象可以调用Func2和Func3

            v.Func2();

            v.Func3();

        }

    }

构造器约束：

class A

        {

            public A()

            { }

        }



        class B

        {

            public B(int i)

            { }

        }



        class C where T : new()

        {

            T t;

            public C()

            {

                t = new T();

            }

        }



        class D

        {

            public void Func()

            {

                C c = new C();

                C d = new C();

            }

        }

    d对象在编译时报错：The type B must have a public parameterless constructor in order to use it as parameter 'T' in the generic type or method C

    注意：C#现在只支持无参的构造器约束

    此时由于我们为B类型写入了一个有参构造器，使得系统不会再为B自动创建一个无参的构造器，但是如果我们将B类型中加一个无参构造器，那么对象d的实例化就不会报错了。B类型定义如下：

        class B

        {

            public B()

            { }

            public B(int i)

            { }

        }

值类型/引用类型：

public struct A { }

        public class B { }



        public class C where T : struct

        {



        }



        C c1 = new C();

        C c2 = new C();

    c2对象在编译时报错：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'

    

总结：

1、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“擦拭法”支持的简单的泛型。

2、C#的泛型支持包括类、结构、接口、委托四种泛型类型，以及方法成员。

3、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。

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