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C#泛型详解  

2009-12-13 10:24:01|  分类: C# |  标签: |举报 |字号 订阅

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 我们在编写程序的时候,经常遇到两个模块的功能非常相像,只是一个是处理int类型,另一个是处理string类型
,或者是其他自定义的数据类型,但我们没有办法,只能分别写多个方法处理每个数据类型,因为方法的参数类型不同。有没有一个办法,在方法中传入通用的数据类型,这样就可以合并代码了。泛型的出现正是为解决这个问题的。
为什么要使用泛型
为了了解这个问题,我们先看下面的代码,代码中省略了一些内容,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]; }
}
上面的代码运行得很好,但是,如果我们需要一个栈来保存string类型的数据时呢?或许很多人都会想到把上面的代码copy一份,把int改成string就可以了。当然,这样做,是没问题的,但是如果以后需要long,Node类型的栈该怎么办?继续复制?这里有种折衷的办法,是使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() {}

   public Stack(int o){this.m_item = new object [o]}
}
虽然这个栈很灵活,可以接收任何数据类型。但全面地说,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,拆箱操作,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,虽然没有装箱和拆箱操作,但将用到数据类型的强制转换操作,增加了处理器的负担。
在数据类型的强制转换上还有更严重的问题,如下:
Node1 x = new Node1();
stack.push(x);
Node2 y = (Node2)stack.pop();
上面的代码在编译时是没有问题的,但是由于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,他可以很优雅地解决这些问题。泛型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的提高,并且保证数据类型安全。

使用泛型

下面是使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替换。如下:
public class Stack<T>
{
   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:
Stack<int> a = new Stack<int>(100);
a.push(10);
a.push("10"); //这里编译不通过,因为类a只接收int类型的数据
int x = a.pop();

Stack<string> b = new Stack<string>(100);
b.push(10); //这里编译不通过,因为类b只接收string类型的数据库
b.push("10");
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. 无需装箱和拆箱。这个类在实例化时,按照锁传入的数据类型生成本地代码,本地代码数据类型已确定,所以无需装箱和拆箱。
3. 无需数据类型转换。

泛型类实例化的理论

C#泛型类在编译时,先生成中间代码IL,通用型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,所以不同的封装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:
例:Stack<int>和Stack<string>是两个完全没有任何关系的类,你可以把他看住类A和类B,这个解释对泛型类的静态成员的理解有很大的帮助。

泛型类中数据类型的约束

程序员在编写泛型类时,总是会对通用数据类型T进行有意或无意地有假想,也就是说这个T一般来说是不能适应所有类型,但是怎么限制调用者传入的数据类型呢?这就需要对传入的数据类型进行约束,约束的方式是指定T的祖先,即继承的接口或类。因为C#的单跟继承性,所以约束可以有多个接口,但最多只能有一个类,并且类必须在接口之前。这是就用到C#2.0的新增关键字:
public class<T, V> where T : Stack, IComparable
      where V : Stack
{...}
以上的泛型类的约束表明,T必须是从Stack和IComparable继承,V必须是Stack或从Stack继承,否则将无法通过编译器的类型检查,编译失败。

通用类型T没有特指,但因为C#中所有的类都是从object继承来的,所以它在类Node的编写只能调用object类的方法,这给程序的编写造成了困难。比如你的类设计只需要支持两种数据类型int和string,并且在类中需要对T类型的变量比较大小,但这些却无法实现,因为object中没有比较大小的方法。为了解决这个问题,只需对T进行IComparable约束,这时在类Node里就可以对T的实例执行CompareTo方法了。这个问题可以扩展到其他用户自定义的数据类型。

如果在类Node里需要对T重新实例化该怎么办呢?因为类Node中不知道类T到底有那些构造函数。为了解决这个问题,需要用到new约束:
public class Node<T, V> where T : Stack, new()
where V : IComparable

需要注意的是,new约束只能是无参数的,所以也要求相应的类Stack必须有一个无参构造函数,否则编译失败。

C#中数据类型有两大类:引用类型和值类型。引用类型如所有的类,值类型一般是语言的最基本类型,如Int,long等,在泛型的约束中,我们也可以大范围地限制类型T必须是引用类型或是值类型,分别对应的关键字是class和struct:

public class Node<T, V> where T : class
     where V : struct

泛型方法

泛型不仅能作用在类上,也可以单独用在类的方法上,他可根据参数的类型自动适应各种参数,这样的方法叫泛型方法,如下:
public class StackTwo
{
   public void push<T>(Stack<T> s, params T[] p)
   {
    foreach(T t in p)
    {
     s.push(t);
    }
   }
}

原来的类Stack一次只能push一个数据,这个类StackTwo扩展了Stack的功能,它可以一次把多个数据压入Stack中。其中push是一个泛型方法,这个方法的调用示例如下:
Stack<int> x = new Stack<int>(100);
StackTwo xTwo = new StackTwo();
xTwo.push(x, 1, 2, 3, 4, 6);
string s = "";
for(int i=0; i<5; i++)
{
s += x.Pop().ToString();
}

泛型中的静态成员变量
在C# 1.x中,我们知道类的静态成员变量在不同的类实例之间是共享的,并且他是通过类名访问的。C#2.0中由于引入了泛型,导致静态成员变量的机制出现了一些变化,静态成员变量在相同封闭类间共享,不同的封闭类间不共享。如:
Stack<int> a = new Stack<int>();
Stack<int> b = new Stack<int>();
Stack<long> c = new Stack<long>();
类实例a和b是同一类型,他们之间共享静态成员变量,但是类实例c确实和a,b完全不同的类型,所以 不能和a,b共享静态成员变量。

泛型中的静态构造函数
静态构造函数的规则:只能有一个,且不能有参数,它只能被.net运行时自动调用,而不能人工调用。
泛型中的静态构造函数的原理和非泛型类是一样的。只需要把泛型中的不同的封闭类理解为不同的类即可。一下两种情况可激发静态的构造函数:
1. 特定的封闭类第一次被实例化
2. 特定封闭类中任一静态成员变量被调用

泛型类中的方法重载
方法的重载在.net framework中被大量应用,他要求重载具有不同的签名。在泛型类中,由于通用类型T在类编写时并不确定,所以在重载时有些注意事项,这些事项,我们通过下面的示例说明:

public class Node<T, V>
{
public T add(T a, V b)
{
   return a;
}

public T add(T a, V b)
{
   return b;
}

public int add(int a, int b)
{
   return a+b;
}
}

上面的类很明显,如果T和V都传入int的话,三个add方法将具有同样的签名,但这个类仍然能通过编译,是否会引起调用混淆将在这个类实例化和调用add方法时判断。如下:
Node<int, int> node = new Node<int, int>();
object x = node.add(1, 11);
这个Node实例化引起了三个add具有相同的签名,但却能调用成功。因为他优先匹配了第三个add。但是如果删除了第三个add,上面的调用代码则无法编译通过,提示方法产生的混淆,因为运行时无法在第一个add和第二个add之间选择。
Node<string, int> node = new Node<string, int>();
object x = node.add(2, 11);

这两行调用代码可以正确编译,因为传入的string和int,使三个add具有不同的签名,当然能找到唯一匹配的add方法。
由上可知,C#泛型是在实例的方法被调用时检查重载是否产生混淆,而不是在泛型本身编译时检查,同时还有一个重要原则:
当一般方法与泛型方法具有相同的签名时,会覆盖泛型方法。

泛型类的方法重写
方法重写(override)的主要问题是方法签名的识别规则,在这一点上它与方法重载一样。

泛型的使用范围
泛型可以用在类,方法,接口,结构,委托等上面。使用方法和在类中大致相同。

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