C#泛型編程介紹

2020-01-24 03:09:13

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供稿：網(wǎng)友

例子代碼：

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            int obj = 2;
            Test<int> test = new Test<int>(obj);
            Console.WriteLine("int:" + test.obj);
            string obj2 = "hello world";
            Test<string> test1 = new Test<string>(obj2);
            Console.WriteLine("String:" + test1.obj);
            Console.Read();
        }
    }
    class Test<T>
    {
        public T obj;
        public Test(T obj)
        {
            this.obj = obj;
        }
}

輸出結(jié)果是：

int:2
String:hello world

程序分析：

1、 Test是一個(gè)泛型類。T是要實(shí)例化的范型類型。如果T被實(shí)例化為int型，那么成員變量obj就是int型的，如果T被實(shí)例化為string型，那么obj就是string類型的。

2、根據(jù)不同的類型，上面的程序顯示出不同的值。

C#泛型機(jī)制：

C#泛型能力有CLR在運(yùn)行時(shí)支持：C#泛型代碼在編譯為IL代碼和元數(shù)據(jù)時(shí)，采用特殊的占位符來(lái)表示范型類型，并用專有的IL指令支持泛型操作。而真正的泛型實(shí)例化工作以“on-demand”的方式，發(fā)生在JIT編譯時(shí)。

看看剛才的代碼中Main函數(shù)的元數(shù)據(jù)

復(fù)制代碼代碼如下:

.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<int32> test,
           [2] string obj2,
           [3] class CSharpStudy1.Test`1<string> 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<int32>::.ctor(!0)
  IL_0009:  stloc.1
  IL_000a:  ldstr      "int:"
  IL_ 000f:  ldloc.1
  IL_0010:  ldfld      !0 class CSharpStudy1.Test`1<int32>::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<string>::.ctor(!0)
  IL_0031:  stloc.3
  IL_0032:  ldstr      "String:"
  IL_0037:  ldloc.3
  IL_0038:  ldfld      !0 class CSharpStudy1.Test`1<string>::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

再來(lái)看看Test類中構(gòu)造函數(shù)的元數(shù)據(jù)

復(fù)制代碼代碼如下:

.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<!T>::obj
  IL_ 000f:  nop
  IL_0010:  ret
} // end of method Test`1::.ctor

1、第一輪編譯時(shí)，編譯器只為T(mén)est<T>類型產(chǎn)生“泛型版”的IL代碼與元數(shù)據(jù)――并不進(jìn)行泛型的實(shí)例化，T在中間只充當(dāng)占位符。例如：Test類型元數(shù)據(jù)中顯示的<!T>
2、JIT編譯時(shí)，當(dāng)JIT編譯器第一次遇到Test<int>時(shí)，將用int替換“范型版”IL代碼與元數(shù)據(jù)中的T――進(jìn)行泛型類型的實(shí)例化。例如：Main函數(shù)中顯示的<int>
3、CLR為所有類型參數(shù)為“引用類型”的泛型類型產(chǎn)生同一份代碼；但是如果類型參數(shù)為“值類型”，對(duì)每一個(gè)不同的“值類型”，CLR將為其產(chǎn)生一份獨(dú)立的代碼。因?yàn)閷?shí)例化一個(gè)引用類型的泛型，它在內(nèi)存中分配的大小是一樣的，但是當(dāng)實(shí)例化一個(gè)值類型的時(shí)候，在內(nèi)存中分配的大小是不一樣的。

C#泛型特點(diǎn)：

1、如果實(shí)例化泛型類型的參數(shù)相同，那么JIT編輯器會(huì)重復(fù)使用該類型，因此C#的動(dòng)態(tài)泛型能力避免了C++靜態(tài)模板可能導(dǎo)致的代碼膨脹的問(wèn)題。
2、C#泛型類型攜帶有豐富的元數(shù)據(jù)，因此C#的泛型類型可以應(yīng)用于強(qiáng)大的反射技術(shù)。
3、C#的泛型采用“基類、接口、構(gòu)造器，值類型/引用類型”的約束方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)類型參數(shù)的“顯示約束”，提高了類型安全的同時(shí)，也喪失了C++模板基于“簽名”的隱式約束所具有的高靈活性

C#泛型繼承：

C#除了可以單獨(dú)聲明泛型類型（包括類與結(jié)構(gòu)）外，也可以在基類中包含泛型類型的聲明。但基類如果是泛型類，它的類型要么以實(shí)例化，要么來(lái)源于子類（同樣是泛型類型）聲明的類型參數(shù)，看如下類型

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

E類型為C類型提供了U、V，也就是上面說(shuō)的來(lái)源于子類

F類型繼承于C<string,int>，個(gè)人認(rèn)為可以看成F繼承一個(gè)非泛型的類

G類型為非法的，因?yàn)镚類型不是泛型，C是泛型，G無(wú)法給C提供泛型的實(shí)例化

泛型類型的成員：

泛型類型的成員可以使用泛型類型聲明中的類型參數(shù)。但類型參數(shù)如果沒(méi)有任何約束，則只能在該類型上使用從System.Object繼承的公有成員。如下圖：

泛型接口：

泛型接口的類型參數(shù)要么已實(shí)例化，要么來(lái)源于實(shí)現(xiàn)類聲明的類型參數(shù)

泛型委托：

泛型委托支持在委托返回值和參數(shù)上應(yīng)用參數(shù)類型，這些參數(shù)類型同樣可以附帶合法的約束

復(fù)制代碼代碼如下:

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

泛型方法：

1、C#泛型機(jī)制只支持“在方法聲明上包含類型參數(shù)”――即泛型方法。
2、C#泛型機(jī)制不支持在除方法外的其他成員（包括屬性、事件、索引器、構(gòu)造器、析構(gòu)器）的聲明上包含類型參數(shù)，但這些成員本身可以包含在泛型類型中，并使用泛型類型的類型參數(shù)。
3、泛型方法既可以包含在泛型類型中，也可以包含在非泛型類型中。

泛型方法聲明：如下

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

泛型方法的重載：

public void Function1<T>(T a);
public void Function1<U>(U a);

這樣是不能構(gòu)成泛型方法的重載。因?yàn)榫幾g器無(wú)法確定泛型類型T和U是否不同，也就無(wú)法確定這兩個(gè)方法是否不同

public void Function1<T>(int x);
public void Function1(int x);

這樣可以構(gòu)成重載

public void Function1<T>(T t) where T:A;
public void Function1<T>(T t) where T:B;

這樣不能構(gòu)成泛型方法的重載。因?yàn)榫幾g器無(wú)法確定約束條件中的A和B是否不同，也就無(wú)法確定這兩個(gè)方法是否不同

泛型方法重寫(xiě)：

在重寫(xiě)的過(guò)程中，抽象類中的抽象方法的約束是被默認(rèn)繼承的。如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

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 MyClass:Base
{
    public override X F<X,Y>(X x,Y y){...}
    public override T G<T>(T t) where T:IComparable{}
}

對(duì)于MyClass中兩個(gè)重寫(xiě)的方法來(lái)說(shuō)
F方法是合法的，約束被默認(rèn)繼承
G方法是非法的，指定任何約束都是多余的

泛型約束：

1、C#泛型要求對(duì)“所有泛型類型或泛型方法的類型參數(shù)”的任何假定，都要基于“顯式的約束”，以維護(hù)C#所要求的類型安全。
2、“顯式約束”由where子句表達(dá)，可以指定“基類約束”，“接口約束”，“構(gòu)造器約束”，“值類型/引用類型約束”共四種約束。
3、“顯式約束”并非必須，如果沒(méi)有指定“顯式約束”，范型類型參數(shù)將只能訪問(wèn)System.Object類型中的公有方法。例如：在開(kāi)始的例子中，定義的那個(gè)obj成員變量。比如我們?cè)陂_(kāi)始的那個(gè)例子中加入一個(gè)Test1類，在它當(dāng)中定義兩個(gè)公共方法Func1、Func2，如下圖：

下面就開(kāi)始分析這些約束：

基類約束：

復(fù)制代碼代碼如下:

class A
    {
        public void Func1()
        { }
    }
    class B
    {
        public void Func2()
        { }
    }
    class C<S, T>
        where S : A
        where T : B
    {
        public C(S s,T t)
        {
            //S的變量可以調(diào)用Func1方法
            s.Func1();
            //T的變量可以調(diào)用Func2方法
            t.Func2();
        }
    }

接口約束：

復(fù)制代碼代碼如下:

interface IA<T>
    {
        T Func1();
    }
    interface IB
    {
        void Func2();
    }
    interface IC<T>
    {
        T Func3();
    }
    class MyClass<T, V>
        where T : IA<T>
        where V : IB, IC<V>
    {
        public MyClass(T t,V v)
        {
            //T的對(duì)象可以調(diào)用Func1
            t.Func1();
            //V的對(duì)象可以調(diào)用Func2和Func3
            v.Func2();
            v.Func3();
        }
    }

構(gòu)造器約束：

復(fù)制代碼代碼如下:

class A
        {
            public A()
            { }
        }
        class B
        {
            public B(int i)
            { }
        }
        class C<T> where T : new()
        {
            T t;
            public C()
            {
                t = new T();
            }
        }
        class D
        {
            public void Func()
            {
                C<A> c = new C<A>();
                C<B> d = new C<B>();
            }
        }

d對(duì)象在編譯時(shí)報(bào)錯(cuò)：The type B must have a public parameterless constructor in order to use it as parameter 'T' in the generic type or method C<T>

注意：C#現(xiàn)在只支持無(wú)參的構(gòu)造器約束

此時(shí)由于我們?yōu)锽類型寫(xiě)入了一個(gè)有參構(gòu)造器，使得系統(tǒng)不會(huì)再為B自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)無(wú)參的構(gòu)造器，但是如果我們將B類型中加一個(gè)無(wú)參構(gòu)造器，那么對(duì)象d的實(shí)例化就不會(huì)報(bào)錯(cuò)了。B類型定義如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

        class B
        {
            public B()
            { }
            public B(int i)
            { }
        }

值類型/引用類型：

復(fù)制代碼代碼如下:

public struct A { }
        public class B { }
        public class C<T> where T : struct
        {
        }
        C<A> c1 = new C<A>();
        C<B> c2 = new C<B>();

c2對(duì)象在編譯時(shí)報(bào)錯(cuò)：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<T>'

總結(jié)：

1、C#的泛型能力由CLR在運(yùn)行時(shí)支持，它既不同于C++在編譯時(shí)所支持的靜態(tài)模板，也不同于Java在編譯器層面使用“擦拭法”支持的簡(jiǎn)單的泛型。
2、C#的泛型支持包括類、結(jié)構(gòu)、接口、委托四種泛型類型，以及方法成員。
3、C#的泛型采用“基類，接口，構(gòu)造器，值類型/引用類型”的約束方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)類型參數(shù)的“顯式約束”，它不支持C++模板那樣的基于簽名的隱式約束。

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