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<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;

}

}

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<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<!T>::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<T>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<!T>

2、JIT编译时,当JIT编译器第一次遇到Test<int>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<int>

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<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<string,int>,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>(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>(T value){...}



泛型方法的重载:

public void Function1<T>(T a);

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

public void Function1(int x);

这样可以构成重载



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

public void Function1<T>(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,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{}

}

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<S, T>

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>

{

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<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<T>

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<T> where T : struct

{



}



C<A> c1 = new C<A>();

C<B> c2 = new C<B>();

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<T>'



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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