C#之泛型详解
泛型不仅是C#的一部分，而且与程序集中的IL代码紧密地集成。有了泛型，就可以创建独立于被包含类型的类和方法。这样就可以不必给不同的类型编写功能相同的许多方法或类，只创建一个方法或类即可。
另一个减少代码的选项是使用Object类，因为Object类是不安全的。
泛型类使用泛型类型，并可以根据需要用特定的类型替换泛型类型。这就保证了类型安全性：如果某个类型不支持泛型类，编译器就会出现错误。
泛型不仅限于类，接口和方法也可以使用泛型。
泛型并不是一个全新的结构，在C++中模版就和泛型相似。泛型不仅是C#的一种结构，而且是CLR定义的。所以，即使泛型类在C#中定义，也可以VB中用一个特定的类型实例化该泛型。
一.泛型的特性
1.性能
对值类型使用非泛型集合类，在把值类型转换为引用类型，和把引用类型转换为值类型时，需要进行装箱和拆箱操作。虽然操作很容易，但性能损失比较大：
var list = new ArrayList();
list.Add(4);//装箱操作，ArrayList的Add方法参数是Object
foreach(int i in list)
{
Console.WriteLine(i);//拆箱
}
System.Collections和System.Collections.Generic是非泛型和泛型集合类。System.Collections.Generic中的List<T>类不使用对象，而是在使用时定义类型。
var list = new List<int>();
list.Add(4);
foreach(int i in list)
{
Console.WriteLine(i);
}
2.类型安全
使用ArrayList类在集合中可以添加任意类型。
var list = new ArrayList(); list.Add(4); list.Add(“66”);
在遍历时就会出现异常，因为不是所有元素都可以强制装换为INT类型：
foreach(int i in list)
{
Console.WriteLine(i);
}
错误应尽早发现。使用泛型类List<T>，泛型类型T定义了允许使用特定的类型。有了List<int>的定义，就只能把整数类型添加到集合中。
var list = new ArrayList(); list.Add(4); list.Add(66);
3.二进制代码的重用
泛型允许更好的重用二进制代码。泛型类可以定义一次，并且可以用许多不同的类型实例化。例如List<T>类可以用int，string，自定义类来实例化。
泛型类可以在一种语言中定义，在任何其它.NET语言中使用。
4.代码的扩展
因为泛型类的定义放在程序集中，所以用特定类型实例化泛型类不会在IL代码中复制这些类。但是，在JIT编译器把泛型类编译为本地代码时，会给每个值类型创建一个新类。引用类型共享一个本地类的所有相同的实现代码。这是因为引用类型在实例化的泛型类中只需要4个字节的内存地址（32为系统），就可以引用一个引用类型。值类型包含在实例化的泛型类的内存中，同时因为每个值类型对内存的要求不同，所以要为每个值类型实例化一个新类。
5.命名约定
在程序中使用泛型，在区分泛型类型和非泛型类型时使用命名约定就会有一定帮助。
泛型类型的命名规则：
- *泛型类型的名称用字母T作为前缀。
- *如果没有特殊的要求，泛型类型允许用任意类代替，且如果只能使用一个泛型类型，就可以用T作为泛型类型的名称。
Public class Person{} - *如果泛型类型有特定的要求（比如它必须实现某个接口或派生自基类），或者使用了两个或多个泛型类型，就应给泛型类型使用描述性的名称：
public class SortedList{}
二.使用类型
1.先创建一个非泛型的简化链表类。
public class LinkedListNode
{
public LinkedListNode(object value)
{
this.Value = value;
}
public object Value { get; private set; }//value对外密封，只可以读取，设置值通过构造函数
public LinkedListNode Next { get; internal set; }//记录当前节点的下一节点
public LinkedListNode Prev { get; internal set; }//记录当前节点的上一节点
}
public class LinkedList : IEnumerable
{
public LinkedListNode First { get; private set; }//记录链表的第一个节点，外部只可以读取，设置值通过内部方法
public LinkedListNode Last { get; private set; }
public LinkedListNode AddLast(object node)
{
//实例化一个LinkedListNode
var newNode = new LinkedListNode(node);
//判断链表是否含有元素，如果没有就把newNode设置为链表的第一个元素
if (First == null)
{
First = newNode;
Last = newNode;
}
else
{
LinkedListNode previous = Last;//获取链表的最后一个元素
Last.Next = newNode;//将newNode赋予最后一个元素的下一个元素
Last = newNode;//重新设置链表的最后一个元素
Last.Prev = previous;//newNode成为链表的最后一个元素，将原来的最后一个元素设置为newNode的上一个元素
//注意上述顺序
}
return newNode;
}
//实现IEnumerable接口的GetEnumerator()方法，这样外部代码就可以用foreach语句遍历链表
public IEnumerator GetEnumerator()
{
LinkedListNode current = First;
while (current != null)
{
yield return current.Value;//yield创建一个枚举器的状态机
current = current.Next;
}
}
}
客户端代码：
var list1 = new LinkedList();
list1.AddLast(2);
list1.AddLast(4);
list1.AddLast("22");
foreach (object i in list1)
{
Console.WriteLine(i.ToString());
}
需要进行装箱拆箱操作。
2.下面编写一个泛型版本
public class LinkedListNode<T>
{
public LinkedListNode(T value)
{
this.Value = value;
}
public T Value { get; private set; }//value对外密封，只可以读取，设置值通过构造函数
public LinkedListNode<T> Next { get; internal set; }//记录当前节点的下一节点
public LinkedListNode<T> Prev { get; internal set; }//记录当前节点的上一节点
}
//该类实现IEnumerable<T>接口,IEnumerable<T>继承自IEnumerable接口，所以需要实现GetEnumerator()方法和IEnumerator<T> GetEnumerator()方法
public class LinkedList<T> : IEnumerable<T>
{
public LinkedListNode<T> First { get; private set; }//记录链表的第一个节点，外部只可以读取，设置值通过内部方法
public LinkedListNode<T> Last { get; private set; }
public LinkedListNode<T> AddLast(T node)
{
//实例化一个LinkedListNode
var newNode = new LinkedListNode<T>(node);
//判断链表是否含有元素，如果没有就把newNode设置为链表的第一个元素
if (First == null)
{
First = newNode;
Last = newNode;
}
else
{
LinkedListNode<T> previous = Last;//获取链表的最后一个元素
Last.Next = newNode;//将newNode赋予最后一个元素的下一个元素
Last = newNode;//重新设置链表的最后一个元素
Last.Prev = previous;//newNode成为链表的最后一个元素，将原来的最后一个元素设置为newNode的上一个元素
//注意上述顺序
}
return newNode;
}
//IEnumerable<T>接口继承IEnumerable
//实现IEnumerable<T>接口的GetEnumerator()方法，这样外部代码就可以用foreach语句遍历链表
public IEnumerator<T> GetEnumerator()
{
LinkedListNode<T> current = First;
while (current != null)
{
yield return current.Value;//yield创建一个枚举器的状态机
current = current.Next;
}
}
//实现IEnumerable接口的GetEnumerator()方法
IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
{
return GetEnumerator();
}
}
客户端代码：
var list2 = new LinkedList<int>();
list2.AddLast(2);
list2.AddLast(4);
list2.AddLast(44);
foreach (int i in list2)
{
Console.WriteLine(i);
}
三.泛型类的功能
在创建泛型类时，有时需要一些C#关键字。
通过一个例子来介绍这些关键字：
public class DocumentManager<TDocument>
where TDocument : IDocument
{
private readonly Queue<TDocument> documentQueue = new Queue<TDocument>();
public void AddDocument(TDocument doc)
{
lock (this)
{
documentQueue.Enqueue(doc);
}
}
public bool IsDocumentAvailable
{
get { return documentQueue.Count > 0; }
}
public void DisplayAllDocuments()
{
foreach (TDocument doc in documentQueue)
{
Console.WriteLine(doc.Title);
}
}
public TDocument GetDocument()
{
TDocument doc = default(TDocument);
lock (this)
{
doc = documentQueue.Dequeue();
}
return doc;
}
}
1.默认值
在GetDocument()方法中，需要把TDocument指定为null。但是，不能把null赋予泛型类型。因为泛型类型也可以实例化为值类型，而null只能用于引用类型。为了解决这个问题，可以使用default关键字。通过default，将null赋予引用类型，将0赋予值类型。
2.约束
如果泛型类需要调用泛型类型中的方法，就必须添加约束。
public interface IDocument
{
string Title { get; set; }
string Content { get; set; }
}
public class Document : IDocument
{
public Document()
{
}
public Document(string title, string content)
{
this.Title = title;
this.Content = content;
}
public string Title { get; set; }
public string Content { get; set; }
}
在方法中遍历显示时，需要使用Document类的属性Title，这就需要约束泛型类型TDocument中包含这个属性，这里使用泛型类型TDocument必须实现IDocument接口。where子句指定了该约束。
泛型支持的约束类型：
| 约束 | 说明 |
|---|---|
| where T:struct | 对于结构约束，类型T必须是值类型 |
| where T:class | 类约束指定类型T必须是引用类型 |
| where T:IFoo | 指定类型T必须实现接口IFoo |
| where T:Foo | 指定类型T必须派生自Foo |
| where T:new() | 构造函数约束，指定类型T必须有一个默认构造函数 |
| where T1:T2 | 这个约束指定类型T1派生自泛型类型T2。该约束也称为裸类型约束。 |
使用泛型类型也可以合并多个约束。where T:IFoo,new(),MyClass
3.继承
泛型类型可以实现泛型接口，也可以派生自一个类。泛型类可以派生自泛型基类。要求是必须重复接口的泛型类型，或者必须指定基类的类型。
派生类可以是泛型类或非泛型类。
4.静态成员
泛型类的静态成员和非泛型类的静态成员有区别，泛型类的静态成员只能在类的一个实例中共享：
public class StaticDemo<T>
{
public static int x;
}
客户端代码：
StaticDemo<string>.x = 4; StaticDemo<int>.x = 5; //存在两组静态字段。
四.泛型接口
使用泛型可以定义接口，在接口中定义的方法可以带泛型参数。
五.泛型结构
泛型结构类似于泛型类，只是没有继承特性。
六.泛型方法
在泛型方法中，泛型类型用方法来定义。泛型方法可以在非泛型类中定义。
void Swap<T>(ref T x,ref T y)
{
T temp;
temp = x;
x=y;
y=temp;
}
int i=4;
int j = 5;
Swap<int>(ref i,ref j)；
因为C#编译器会通过调用Swap()方法来获取参数的类型，所以不需要把泛型类型赋予方法调用：
int i=4; int j = 5; Swap(ref i,ref j)；
1.带约束的泛型方法
public static class Algorithm
{
public static decimal Accumulate<TAccount>(IEnumerable<TAccount> source)
where TAccount : IAccount
{
decimal sum = 0;
foreach (TAccount a in source)
{
sum += a.Balance;
}
return sum;
}
}
public interface IAccount
{
decimal Balance { get; }
string Name { get; }
}
public class Account : IAccount
{
public string Name { get; private set; }
public decimal Balance { get; private set; }
public Account(string name, Decimal balance)
{
this.Name = name;
this.Balance = balance;
}
}
客户端代码：
var accounts = new List<Account>()
{
new Account("Christian", 1500),
new Account("Stephanie", 2200),
new Account("Angela", 1800),
new Account("Matthias", 2400)
};
decimal amount = Algorithm.Accumulate<Account>(accounts);
2.带委托的泛型方法
public static class Algorithm
{
public static T2 Accumulate<T1, T2>(IEnumerable<T1> source, Func<T1, T2, T2> action)
{
T2 sum = default(T2);
foreach (T1 item in source)
{
sum = action(item, sum);
}
return sum;
}
}
decimal amount = Algorithm.Accumulate<Account, decimal>(accounts, (item, sum) => sum += item.Balance);
3.泛型方法规范
泛型方法可以重载，为特定的类型定义规范。这样适用于带参数的方法。
public class MethodOverloads
{
public void Foo<T>(T obj)
{
Console.WriteLine("Foo<T>(T obj), obj type: {0}", obj.GetType().Name);
}
public void Foo(int x)
{
Console.WriteLine("Foo(int x)");
}
public void Bar<T>(T obj)
{
Foo(obj);
}
}
如果传递了一个int，就选择带int参数的方法。对于其它参数类型，编译器会选择泛型方法。
var test = new MethodOverloads();
test.Foo(33);
test.Foo("abc");
输出：
Foo(int x) Foo<T>(T obj), obj type: String
所调用的方法是在编译期间定义的，而不是运行期间。
test.Bar(44);
输出：
Foo<T>(T obj), obj type: Int32
Bar()方法选择了泛型Foo()方法，而不是int参数重载的方法。因为编译器是在编译期间选择Bar()方法调用的Foo()方法。由于Bar()方法定义了一个泛型参数，而且泛型Foo()方法匹配这个类型，所以调用Foo()方法。
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