理解C#泛型

在C# 2.0中引入了泛型,泛型的出现解决了编码中的很多问题。相信大家一定经常用到"System.Collections.Generic"命名空间中的泛型集合类("Generic"就是泛型的意思)。在C# 1.0中,我们还在使用"System.Collections"命名空间中的非泛型集合类,那么看看我们在没有泛型的时候遇到的问题。

问题1:强制类型转换

ArrayList stuList = new ArrayList();
Student wilber = new Student { Name = "Wilber", Age = 27, Gender = "Male" };
stuList.Add(wilber);
Student stu = (Student)stuList[0];
stuList.Add(10);

在使用非泛型集合ArrayList时,所有的对象都是以object类型加入ArrayList,当对象从ArrayList取出的时候也是object类型,这时我们就需要进行强制类型转换,如果转换不当,就会得到一个运行时的错误;即使我们向ArrayList添加不同类型的对象时,也不会报错(例如上面向stuList中加入了一个int值)。

问题2:装箱和拆箱

在上面的例子中,如果我们使用ArrayList存放一组值类型的数据(例如一组int值),存入时,每个值类型的数据都要进行装箱为object类型;取出时,每个object类型的数据又要进行拆箱操作。

可以看到,在使用非泛型集合的时候,用户需要自己进行类型转换,并且可能遇到运行时的类型转换异常;同时,对于值类型的操作 ,非泛型集合会有装箱和拆箱带来的效率问题。

 

泛型的出现

对于上面的问题,我们可以使用C# 2.0中的泛型集合。

这样一来,我们就通过类型参数(例子中的Student)来限制List可以包含的实例类型,从而避免的强制类型转换。

同时,通过类型参数,编译器可以进行类型检查,当试图往List中存入一个与类型参数不匹配的对象的时候,编译器就是给出错误提示。

List<Student> stuList = new List<Student>();
Student wilber = new Student { Name = "Wilber", Age = 27, Gender = "Male" };
stuList.Add(wilber);
Student stu = stuList[0];
stuList.Add(10);

理解C#泛型

 

泛型中的术语

下面我们看看泛型中的一些概念和术语。

泛型有两种表现形式:泛型类型(包括类、接口、委托和结构,没有泛型枚举)和泛型方法。在泛型类型和泛型方法中都会有类型参数,当通过泛型类型实例化对象或者对泛型方法调用的时候,都需要使用一个真实的类型来代替类型参数。

类型参数是真实类型的占位符,在泛型声明过程中,所有的类型参数放在一对间括号中(<>),通过逗号分隔。

泛型类型

根据类型参数不同的指定类型实参的情况,泛型类型可以分为:

  • 如果没有为类型参数提供类型实参,那么声明的就是一个未绑定泛型类型(unbound generic)
  • 如果指定了类型实参,该类型就称为已构造类型(constructed type),然而已构造类型又可以是开放类型或封闭类型的
    • 包含类型参数的类型就是开放类型(open type)(所有的未绑定的泛型类型都属于开放类型的),
    • 每个类型参数都指定了类型实参就是封闭类型(closed type)

类型是对象的蓝图,我们可以通过类型来实例化对象;那么对于泛型来说,未绑定泛型类型是以构造泛型类型的蓝图,已构造泛型类型又是实际对象的蓝图。

下图就是一个简单的例子,Dictionary<TKey, TValue>就是一个泛型类型(未绑定泛型类型,开放类型);通过制定类型参数,可以得到不同的封闭类型;通过不同的封闭类型有可以构造不同的实例。

理解C#泛型

泛型方法

我们都已经习惯了方法的参数和返回值拥有固定的类型,这里就看看“参数化”的方法。对于泛型方法,可以理解为拥有类型参数的方法。

对于上面例子中Dictionary<TKey, TValue>这个泛型类型,有很多方法可以使用,例如:

  • void Add(TKey, key, TValue value)
  • bool ContainsValue(TValue value)
  • bool ContainsKey(TKey key)

注意,这些方法中没有一个是真正的泛型方法,他们只是使用了泛型类型的类型参数

真正的泛型方法应该拥有自己的类型参数,当我们使用泛型方法的时候,要给泛型方法的类新参数指定类型实参,接下来看一个泛型方法的例子。

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("The bigger one is {0}", GetBiggerOne<int>(3,9));
        Console.WriteLine("The bigger one is {0}", GetBiggerOne<string>("Hello", "World"));

        Console.Read();
    }

    public static T GetBiggerOne<T>(T itemOne, T itemTwo) where T : IComparable
    {
        if (itemOne.CompareTo(itemTwo) > 0)
        {
            return itemOne;
        }
        return itemTwo;
    }
}

在上面的例子中,我们使用泛型方法来实现一个两个元素比较的例子,我们看到方法"GetBiggerOne"拥有自己的类型参数,当我们看到一个泛型方法时,可以一步步用真实的类型替换泛型方法中的类型参数,这样就会简化我们的分析。

对于泛型的类型约束,将在下面一篇文章介绍。

理解C#泛型

泛型的优点

根据上面的分析,可以看到泛型有一些的优点:

  • 代码重用
    • 泛型提供的代码的重用,确切的说应该是 "逻辑和算法的重用"。从前面的泛型方法例子可以看到,通过泛型可以避免为每种特定的类型实现一个比较方法。
  • 类型安全
    • 泛型类型保证了类型安全,可以在编译期就发现类型不匹配的问题,而不是等到运行时
  • 效率
    • 避免值类型的装箱和拆箱引起的效率问题(后面会简单介绍为什么泛型可以避免装箱和拆箱)

总结

泛型的出现,给我们带来了很多好处,泛型实现了类型和方法的"参数化"。

基于泛型,我们可以实现代码重用,并且泛型为我们提供了类型安全检查。对于值类型的操作,通过泛型可以避免装箱和拆箱带来的性能损失。

同样C# 2.0 以后,就建议只在代码中使用支持泛型的集合类了(System.Collections.Generic)。

 

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