理解C#泛型

2022-09-13 17:20:49

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);

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。

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。

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）。