浅谈C#泛型的用处

为什么要使用C#泛型?

为了了解这个问题,我们先看下面的代码,代码省略了一些内容,但功能是实现一个栈,这个栈只能处理int数据类型:

public class Stack { PRivate int[] m_item; public int Pop(){...} public void Push(int item){...} public Stack(int i) { this.m_item = new int[i]; } } 上面代码运行的很好,但是,当我们需要一个栈来保存string类型时,该怎么办呢?很多人都会想到把上面的代码复制一份,把int改成string不就行了。当然,这样做本身是没有任何问题的,但一个优秀的程序是不会这样做的,因为他想到若以后再需要long、Node类型的栈该怎样做呢?还要再复制吗?优秀的程序员会想到用一个通用的数据类型object来实现这个栈:

public class Stack { private object[] m_item; public object Pop(){...} public void Push(object item){...} public Stack(int i) { this.m_item = new[i]; } } 这个栈写的不错,他非常灵活,可以接收任何数据类型,可以说是一劳永逸。但全面地讲,也不是没有缺陷的,主要表现在:

当Stack处理值类型时,会出现装箱、折箱操作,这将在托管堆上分配和回收大量的变量,若数据量大,则性能损失非常严重。

在处理引用类型时,虽然没有装箱和折箱操作,但将用到数据类型的强制转换操作,增加处理器的负担。

在数据类型的强制转换上还有更严重的问题(假设stack是Stack的一个实例):

Node1 x = new Node1(); stack.Push(x); Node2 y = (Node2)stack.Pop(); 上面的代码在编译时是完全没问题的,但由于Push了一个Node1类型的数据,但在Pop时却要求转换为Node2类型,这将出现程序运行时的类型转换异常,但却逃离了编译器的检查。

针对object类型栈的问题,我们引入泛型,他可以优雅地解决这些问题。泛型用用一个通过的数据类型T来代替object,在类实例化时指定T的类型,运行时(Runtime)自动编译为本地代码,运行效率和代码质量都有很大提高,并且保证数据类型安全。

使用C#泛型

下面是用泛型来重写上面的栈,用一个通用的数据类型T来作为一个占位符,等待在实例化时用一个实际的类型来代替。让我们来看看泛型的威力:

public class Stack { private T[] m_item; public T Pop(){...} public void Push(T item){...} public Stack(int i) { this.m_item = new T[i]; } } 类的写法不变,只是引入了通用数据类型T就可以适用于任何数据类型,并且类型安全的。这个类的调用方法:

//实例化只能保存int类型的类 Stack a = new Stack(100); a.Push(10); a.Push("8888"); //这一行编译不通过,因为类a只接收int类型的数据 int x = a.Pop(); //实例化只能保存string类型的类 Stack b = new Stack(100); b.Push(10); //这一行编译不通过,因为类b只接收string类型的数据 b.Push("8888"); string y = b.Pop(); 这个类和object实现的类有截然不同的区别:

1. 他是类型安全的。实例化了int类型的栈,就不能处理string类型的数据,其他数据类型也一样。

2.无需装箱和折箱。这个类在实例化时,按照所传入的数据类型生成本地代码,本地代码数据类型已确定,所以无需装箱和折箱。

3. 无需类型转换。

理论知识:

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的编译时的“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#泛型编译机制如下:

第一轮编译时,编译器只为Stack类型产生“泛型版”的IL代码和元数据,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时,将用int类型替换“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#泛型类在编译时,先生成中间代码IL,通用类型T只是一个占位符。在实例化类时,根据用户指定的数据类型代替T并由即时编译器(JIT)生成本地代码,这个本地代码中已经使用了实际的数据类型,等同于用实际类型写的类,所以不同的封闭类的本地代码是不一样的。按照这个原理,我们可以这样认为:泛型类的不同的封闭类是分别不同的数据类型。

这样泛型不仅更加灵活,也同时将代码的简便和提高到一个层次!不用再为具体不同的重载方法写具体的代码了!

C# 泛型是开发工具库中的一个无价之宝。它们可以提高性能、类型安全和质量,减少重复性的编程任务,简化总体编程模型,而这一切都是通过优雅的、可读性强的语法完成的。尽管 C# 泛型的根基是 C++ 模板,但 C# 通过提供编译时安全和支持将泛型提高到了一个新水平。C# 利用了两阶段编译、元数据以及诸如约束和一般方法之类的创新性的概念。毫无疑问,C# 的将来版本将继续发展泛型,以便添加新的功能,并且将泛型扩展到诸如数据访问或本地化之类的其他 .NET Framework 领域.

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