C#泛型

泛型（generic）是C#语言2.0和通用语言运行时（CLR）的一个新特性。泛型为.NET框架引入了类型参数（type parameters）的概念。类型参数使得设计类和方法时，不必确定一个或多个具体参数，其的具体参数可延迟到客户代码中声明、实现。这意味着使用泛型 的类型参数T，写一个类MyList<T>，客户代码可以这样调用：MyList<int>， MyList<string>或 MyList<MyClass>。这避免了运行时类型转换或装箱操作的代价和风险。

 

 

 

 

C# 中的泛型. 1

一、泛型概述. 2

二、泛型的优点. 5

三、泛型类型参数. 7

四、类型参数的约束. 8

五、泛型类. 11

六、泛型接口. 13

七、泛型方法. 19

八、泛型委托. 21

九、泛型代码中的default 关键字. 23

十、C++ 模板和C# 泛型的区别. 24

十一 、运行时中的泛型. 25

十二 、基础类库中的泛型. 27

 

 

一、泛型概述

    泛型类和泛型方法兼复用性、类型安全和高效率于一身，是与之对应的非泛型的类和方法所不及。泛型广泛用于容器（collections）和对容器操作的方 法中。.NET框架2.0的类库提供一个新的命名空间System.Collections.Generic，其中包含了一些新的基于泛型的容器类。要查 找新的泛型容器类（collection classes）的示例代码，请参见基础类库中的泛型。当然，你也可以创建自己的泛型类和方法，以提供你自己的泛化的方案和设计模式，这是类型安全且高效 的。下面的示例代码以一个简单的泛型链表类作为示范。（多数情况下，推荐使用由.NET框架类库提供的List<T>类，而不是创建自己的 表。）类型参数T在多处使用，具体类型通常在这些地方来指明表中元素的类型。类型参数T有以下几种用法：

l        在AddHead方法中，作为方法参数的类型。

l        在公共方法GetNext中，以及嵌套类Node的 Data属性中作为返回值的类型。

l        在嵌套类中，作为私有成员data的类型。

 

注意一点，T对嵌套的类Node也是有效的。当用一个具体类来实现MyList<T>时——如MyList<int>——每个出现过的T都要用int代替。

 

using System;

using System.Collections.Generic;

 

public class MyList<T> //type parameter T in angle brackets

    {

        private Node head;

// The nested type is also generic on T.

        private class Node          

        {

            private Node next;

//T as private member data type:

            private T data;         

//T used in non-generic constructor:

            public Node(T t)        

            {

                next = null;

                data = t;

            }

            public Node Next

            {

                get { return next; }

                set { next = value; }

            }

//T as return type of property:

            public T Data           

            {

                get { return data; }

                set { data = value; }

            }

        }

        public MyList()

        {

            head = null;

        }

//T as method parameter type:

        public void AddHead(T t)    

        {

            Node n = new Node(t);

            n.Next = head;

            head = n;

        }

 

        public IEnumerator<T> GetEnumerator()

        {

            Node current = head;

 

            while (current != null)

            {

                yield return current.Data;

                current = current.Next;

            }

        }

    }

 

下面的示例代码演示了客户代码如何使用泛型类MyList<T>，来创建一个整数表。通过简单地改变参数的类型，很容易改写下面的代码，以创建字符串或其他自定义类型的表。

 

class Program

    {

        static void Main(string[] args)

        {

//int is the type argument.

           MyList<int> list = new MyList<int>();

            for (int x = 0; x < 10; x++)

                list.AddHead(x);

 

            foreach (int i in list)

            {

                Console.WriteLine(i);

            }

            Console.WriteLine("Done");

        }

    }

二、泛型的优点

针对早期版本的通用语言运行时和C#语言的局限，泛型提供了一个解决方案。以前类型的泛化（generalization）是靠类型与 全局基类System.Object的相互转换来实现。.NET框架基础类库的ArrayList容器类，就是这种局限的一个例子。ArrayList是 一个很方便的容器类，使用中无需更改就可以存储任何引用类型或值类型。

 

//The .NET Framework 1.1 way of creating a list

ArrayList list1 = new ArrayList(); 

list1.Add(3);

list1.Add(105);

//...

ArrayList list2 = new ArrayList();

list2.Add(“It is raining in Redmond.”);

list2.Add("It is snowing in the mountains.");

//...

 

但是这种便利是有代价的，这需要把任何一个加入ArrayList的引用类型或值类型都隐式地向上转换成System.Object。 如果这些元素是值类型，那么当加入到列表中时，它们必须被装箱；当重新取回它们时，要拆箱。类型转换和装箱、拆箱的操作都降低了性能；在必须迭代 （iterate）大容器的情况下，装箱和拆箱的影响可能十分显著。

 

另一个局限是缺乏编译时的类型检查，当一个ArrayList把任何类型都转换为Object，就无法在编译时预防客户代码类似这样的操作：

 

ArrayList list = new ArrayList(); 

//Okay.  

list.Add(3); 

//Okay, but did you really want to do this?

list.Add(.“It is raining in Redmond.”);

 

int t = 0;

//This causes an InvalidCastException to be returned.

    foreach(int x in list)

{

  t += x;

}

 

虽然这样完全合法，并且有时是有意这样创建一个包含不同类型元素的容器，但是把string和int变量放在一个ArrayList中，几乎是在制造错误，而这个错误直到运行的时候才会被发现。

 

在1.0版和1.1版的C#语言中，你只有通过编写自己的特定类型容器，才能避免.NET框架类库的容器类中泛化代码（generalized code）的危险。当然，因为这样的类无法被其他的数据类型复用，也就失去泛型的优点，你必须为每个需要存储的类型重写该类。

 

ArrayList和其他相似的类真正需要的是一种途径，能让客户代码在实例化之前指定所需的特定数据类型。这样就不需要向上类型转换 为Object，而且编译器可以同时进行类型检查。换句话说，ArrayList需要一个类型参数。这正是泛型所提供的。在 System.Collections.Generic命名空间中的泛型List<T>容器里，同样是把元素加入容器的操作，类似这样：

The .NET Framework 2.0 way of creating a list

List<int> list1 = new List<int>();

//No boxing, no casting:

list1.Add(3);

//Compile-time error:

list1.Add("It is raining in Redmond.");

 

与ArrayList相比，在客户代码中唯一增加的List<T>语法是声明和实例化中的类型参数。代码略微复杂的回报是，你创建的表不仅比ArrayList更安全，而且明显地更加快速，尤其当表中的元素是值类型的时候。

三、泛型类型参数

   

    在泛型类型或泛型方法的定义中，类型参数是一个占位符（placeholder），通常为一个大写字母，如T。在客户代码声明、实例化该类型的变量时，把 T替换为客户代码所指定的数据类型。泛型类，如泛型概述中给出的MyList<T>类，不能用作as-is，原因在于它不是一个真正的类型， 而更像是一个类型的蓝图。要使用MyList<T>，客户代码必须在尖括号内指定一个类型参数，来声明并实例化一个已构造类型 （constructed type）。这个特定类的类型参数可以是编译器识别的任何类型。可以创建任意数量的已构造类型实例，每个使用不同的类型参数，如下：

 

MyList<MyClass> list1  = new MyList<MyClass>();

MyList<float> list2 = new MyList<float>();

MyList<SomeStruct> list3 = new MyList<SomeStruct>();

 

    在这些MyList<T>的实例中，类中出现的每个T都将在运行的时候被类型参数所取代。依靠这样的替换，我们仅用定义类的代码，就创建了三个独立的类型安全且高效的对象。有关CLR执行替换的详细信息，请参见运行时中的泛型。

四、类型参数的约束

 

若要检查表中的一个元素，以确定它是否合法或是否可以与其他元素相比较，那么编译器必须保证：客户代码中可能出现的所有类型参数，都要 支持所需调用的操作或方法。这种保证是通过在泛型类的定义中，应用一个或多个约束而得到的。一个约束类型是一种基类约束，它通知编译器，只有这个类型的对 象或从这个类型派生的对象，可被用作类型参数。一旦编译器得到这样的保证，它就允许在泛型类中调用这个类型的方法。上下文关键字where用以实现约束。 下面的示例代码说明了应用基类约束，为MyList<T>类增加功能。

 

public class Employee

{

 public class Employee

    {

        private string name;

        private int id;

        public Employee(string s, int i)

        {

            name = s;

            id = i;

        }

 

        public string Name

        {

            get { return name; }

            set { name = value; }

        }

        public int ID

        {

            get { return id; }

            set { id = value; }

        }

 

    }

}

class MyList<T> where T: Employee

{

 //Rest of class as before.

  public T FindFirstOccurrence(string s)

  {

   T t = null;

   Reset();

   while (HasItems())

   {

      if (current != null)

      {

//The constraint enables this:

         if (current.Data.Name == s)

         {

            t = current.Data;

            break;

         }

         else

         {

            current = current.Next;

         }

      } //end if

   } // end while

  return t;

  }

}

 

约束使得泛型类能够使用Employee.Name属性，因为所有为类型T的元素，都是一个Employee对象或是一个继承自Employee的对象。

 

同一个类型参数可应用多个约束。约束自身也可以是泛型类，如下：

 

class MyList<T> where T: Employee, IEmployee,  IComparable<T>,  new()

{…}

 

    下表列出了五类约束：

 

 

类型参数的约束，增加了可调用的操作和方法的数量。这些操作和方法受约束类型及其派生层次中的类型的支持。因此，设计泛型类或方法时，如果对泛型成员执行任何赋值以外的操作，或者是调用System.Object中所没有的方法，就需要在类型参数上使用约束。

 

无限制类型参数的一般用法

没有约束的类型参数,如公有类MyClass<T>{...}中的T, 被称为无限制类型参数(unbounded type parameters)。无限制类型参数有以下规则:

l        不能使用运算符 != 和 == ，因为无法保证具体的类型参数能够支持这些运算符。

l        它们可以与System.Object相互转换，也可显式地转换成任何接口类型。

l        可以与null比较。如果一个无限制类型参数与null比较，当此类型参数为值类型时，比较的结果总为false。

 

 

无类型约束

当约束是一个泛型类型参数时，它就叫无类型约束(Naked type constraints)。当一个有类型参数成员方法，要把它的参数约束为其所在类的类型参数时，无类型约束很有用。如下例所示：

 

class List<T>

{

      //...

    void Add<U>(List<U> items) where U:T {…}

}

 

在上面的示例中， Add方法的上下文中的T，就是一个无类型约束；而List类的上下文中的T，则是一个无限制类型参数。

 

无类型约束也可以用在泛型类的定义中。注意，无类型约束一定也要和其它类型参数一起在尖括号中声明：

//naked type constraint

public class MyClass<T,U,V> where T : V

 

因为编译器只认为无类型约束是从System.Object继承而来，所以带有无类型约束的泛型类的用途十分有限。当你希望强制两个类型参数具有继承关系时，可对泛型类使用无类型约束。

五、泛型类

 

 

泛型类封装了不针对任何特定数据类型的操作。泛型类常用于容器类，如链表、哈希表、栈、队列、树等等。这些类中的操作，如对容器添加、删除元素，不论所存储的数据是何种类型，都执行几乎同样的操作。

 

对大多数情况，推荐使用.NET框架2.0类库中所提供的容器类。有关使用这些类的详细信息，请参见基础类库中的泛型。

 

通常，从一个已有的具体类来创建泛型类，并每次把一个类型改为类型参数，直至达到一般性和可用性的最佳平衡。当创建你自己的泛型类时，需要重点考虑的事项有：

l        哪些类型应泛化为类型参数。一般的规律是，用参数表示的类型越多，代码的灵活性和复用性也就越大。过多的泛化会导致代码难以被其它的开发人员理解。

l        如果有约束，那么类型参数需要什么样约束。一个良好的习惯是，尽可能使用最大的约束，同时保证可以处理所有需要处理的类型。例如，如果你知道你的泛型类只 打算使用引用类型，那么就应用这个类的约束。这样可以防止无意中使用值类型，同时可以对T使用as运算符，并且检查空引用。

l        把泛型行为放在基类中还是子类中。泛型类可以做基类。同样非泛型类的设计中也应考虑这一点。泛型基类的继承规则     。

l        是否实现一个或多个泛型接口。例如，要设计一个在基于泛型的容器中创建元素的类，可能需要实现类似IComparable<T>的接口，其中T是该类的参数。

 

泛型概述中有一个简单泛型类的例子。

 

类型参数和约束的规则对于泛型类的行为（behavior）有一些潜在的影响，——尤其是对于继承和成员可 访问性。在说明这个问题前,理解一些术语十分重要。对于一个泛型类Node<T>，客户代码既可以通过指定一个类型参数来创建一个封闭构造类 型(Node<int>),也可以保留类型参数未指定，例如指定一个泛型基类来创建开放构造类型(Node<T>)。泛型类可以 继承自具体类、封闭构造类型或开放构造类型：

 

// concrete type

class Node<T> : BaseNode

//closed constructed type

class Node<T> : BaseNode<int>

//open constructed type

class Node<T> : BaseNode<T>

 

非泛型的具体类可以继承自封闭构造基类，但不能继承自开放构造基类。这是因为客户代码无法提供基类所需的类型参数。

 

//No error.

class Node : BaseNode<int>

//Generates an error.

class Node : BaseNode<T>

 

泛型的具体类可以继承自开放构造类型。除了与子类共用的类型参数外，必须为所有的类型参数指定类型，如下代码所示：

//Generates an error.

class Node<T> : BaseNode<T, U> {…}

//Okay.

class Node<T> : BaseNode<T, int>{…}

 

继承自开放结构类型的泛型类，必须指定：

Generic classes that inherit from open constructed types must specify must specify constraints that are a superset of, or imply, the constraints on the base type:

 

class NodeItem<T> where T : IComparable<T>, new() {…}

class MyNodeItem<T> : NodeItem<T> where T : IComparable<T> , new(){…}

 

 

泛型类型可以使用多种类型参数和约束，如下：

class KeyType<K,V>{…}

class SuperKeyType<K,V,U> where U : IComparable<U>, where V : new(){…}

 

开放结构和封闭构造类型型可以用作方法的参数：

void Swap<T>(List<T> list1, List<T> list2){…}

void Swap(List<int> list1, List<int> list2){…}

六、泛型接口

不论是为泛型容器类，还是表示容器中元素的泛型类，定义接口是很有用的。把泛型接口与泛型类结合使用是更好的用法，比如用 IComparable<T>而非IComparable，以避免值类型上的装箱和拆箱操作。.NET框架2.0类库定义了几个新的泛型接 口，以配合System.Collections.Generic中新容器类的使用。

 

    当一个接口被指定为类型参数的约束时，只有实现该接口的类型可被用作类型参数。下面的示例代码显示了一个从MyList<T>派生的 SortedList<T>类。更多信息，请参见泛型概述。SortedList<T>增加了约束where T : IComparable<T>。

这使得SortedList<T>中的BubbleSort方法可以使用表中的元素的 IComparable<T>.CompareTo方法。在这个例子中，表中的元素是简单类——实现 IComparable<Person>的Person类。

 

using System;

using System.Collections.Generic;

 

//Type parameter T in angle brackets.

public class MyList<T>

{

    protected Node head;

    protected Node current = null;

 

// Nested type is also generic on T

    protected class Node         

    {

        public Node next;

//T as private member datatype.

        private T data;         

//T used in non-generic constructor.

        public Node(T t)        

        {

            next = null;

            data = t;

        }

        public Node Next

        {

            get { return next; }

            set { next = value; }

        }

//T as return type of property.

        public T Data           

        {

            get { return data; }

            set { data = value; }

        }

    }

    public MyList()

    {

        head = null;

    }

//T as method parameter type.

    public void AddHead(T t)    

    {

        Node n = new Node(t);

        n.Next = head;

        head = n;   

    }

    // Implement IEnumerator<T> to enable foreach

    // iteration of our list. Note that in C# 2.0

    // you are not required to implment Current and

    // GetNext. The compiler does that for you.

    public IEnumerator<T> GetEnumerator()

    {

        Node current = head;

 

        while (current != null)

        {

            yield return current.Data;

            current = current.Next;

        }

    }

}

 

 

public class SortedList<T> : MyList<T> where T : IComparable<T>

{

    // A simple, unoptimized sort algorithm that

    // orders list elements from lowest to highest:

 

public void BubbleSort()

    {

 

        if (null == head || null == head.Next)

            return;

        bool swapped;

 

        do

        {

            Node previous = null;

            Node current = head;

            swapped = false;

 

            while (current.next != null)

            {

                //  Because we need to call this method, the SortedList

                //  class is constrained on IEnumerable<T>

                if (current.Data.CompareTo(current.next.Data) > 0)

                {

                    Node tmp = current.next;

                    current.next = current.next.next;

                    tmp.next = current;

 

                    if (previous == null)

                    {

                        head = tmp;

                    }

                    else

                    {

                        previous.next = tmp;

                    }

                    previous = tmp;

                    swapped = true;

                }

 

                else

                {

                    previous = current;

                    current = current.next;

                }

 

            }// end while

        } while (swapped);

    }

 

}

 

// A simple class that implements IComparable<T>

// using itself as the type argument. This is a

// common design pattern in objects that are

// stored in generic lists.

public class Person : IComparable<Person>

{

    string name;

    int age;

    public Person(string s, int i)

    {

        name = s;

        age = i;

    }

    // This will cause list elements

    // to be sorted on age values.

    public int CompareTo(Person p)

    {

        return age - p.age;

    }

    public override string ToString()

    {

        return name + ":" + age;

    }

    // Must implement Equals.

    public bool Equals(Person p)

    {

        return (this.age == p.age);

    }

}

 

class Program

{

    static void Main(string[] args)

    {

        //Declare and instantiate a new generic SortedList class.

        //Person is the type argument.

        SortedList<Person> list = new SortedList<Person>();

 

        //Create name and age values to initialize Person objects.

        string[] names = new string[]{"Franscoise", "Bill", "Li", "Sandra", "Gunnar", "Alok", "Hiroyuki", "Maria", "Alessandro", "Raul"};

        int[] ages = new int[]{45, 19, 28, 23, 18, 9, 108, 72, 30, 35};

 

        //Populate the list.

        for (int x = 0; x < 10; x++)

        {

            list.AddHead(new Person(names[x], ages[x]));

        }

        //Print out unsorted list.

        foreach (Person p in list)

        {

            Console.WriteLine(p.ToString());

        }

 

        //Sort the list.

        list.BubbleSort();

 

        //Print out sorted list.

        foreach (Person p in list)

        {

            Console.WriteLine(p.ToString());

        }

 

        Console.WriteLine("Done");

    }

}

 

 

可以在一个类型指定多个接口作为约束，如下:

 

class Stack<T> where T : IComparable<T>, IMyStack1<T>{}

 

 

一个接口可以定义多个类型参数，如下:

 

IDictionary<K,V>

 

接口和类的继承规则相同：

//Okay.

IMyInterface : IBaseInterface<int>

//Okay.

IMyInterface<T> : IBaseInterface<T>

 

//Okay.

IMyInterface<T>: IBaseInterface<int>

//Error.

IMyInterface<T> : IBaseInterface2<T, U>

 

具体类可以实现封闭构造接口，如下:

class MyClass : IBaseInterface<string>

 

泛型类可以实现泛型接口或封闭构造接口，只要类的参数列表提供了接口需要的所有参数，如下:

//Okay.

class MyClass<T> : IBaseInterface<T>

//Okay.

class MyClass<T> : IBaseInterface<T, string>

 

泛型类、泛型结构，泛型接口都具有同样方法重载的规则。详细信息，请参见泛型方法。

七、泛型方法

 

泛型方法是声名了类型参数的方法，如下：

 

void Swap<T>( ref T lhs, ref T rhs)

{

  T temp;

  temp = lhs;

  lhs = rhs;

  rhs = temp;

}

 

 

下面的示例代码显示了一个以int作为类型参数，来调用方法的例子：

 

int a = 1;

int b = 2;

//…

Swap<int>(a, b);

 

也可以忽略类型参数，编译器会去推断它。下面调用Swap的代码与上面的例子等价：

Swap(a, b);

 

 

静态方法和实例方法有着同样的类型推断规则。编译器能够根据传入的方法参数来推断类型参数；而无法单独根据约束或返回值来判断。因此类 型推断对没有参数的方法是无效的。类型推断发生在编译的时候，且在编译器解析重载方法标志之前。编译器对所有同名的泛型方法应用类型推断逻辑。在决定 （resolution）重载的阶段，编译器只包含那些类型推断成功的泛型类。更多信息，请参见C# 2.0规范，20.6.4类型参数推断

 

在泛型方法中，非泛型方法能访问所在类中的类型参数，如下：

class MyClass<T>

{

  //…

  void Swap (ref T lhs, ref T rhs){…}

}

 

[JX1] 定义一个泛型方法，和其所在的类具有相同的类型参数；试图这样做，编译器会产生警告CS0693。

 

class MyList<T>

{

// CS0693

    void MyMethod<T>{...}   

}

 

class MyList<T>

{

//This is okay, but not common.

    void SomeMethod<U>(){...}   

}

 

使用约束可以在方法中使用更多的类型参数的特定方法。这个版本的Swap<T>称为SwapIfGreater<T>，它只能使用实现了IComparable<T>的类型参数。

void SwapIfGreater<T>( ref T lhs, ref T rhs) where T: IComparable<T>

{

  T temp;

  if(lhs.CompareTo(rhs) > 0)

    {

      temp = lhs;

      lhs = rhs;

      rhs = temp;

    }

}

 

泛型方法通过多个类型参数来重载。例如，下面的这些方法可以放在同一个类中：

void DoSomething(){}

void DoSomething<T>(){}

void DoSomething<T,U>(){}

 

八、泛型委托

无论是在类定义内还是类定义外，委托可以定义自己的类型参数。引用泛型委托的代码可以指定类型参数来创建一个封闭构造类型，这和实例化泛型类或调用泛型方法一样，如下例所示：

 

public delegate void MyDelegate<T>(T item);

public void Notify(int i){}

//...

 

MyDelegate<int> m = new MyDelegate<int>(Notify);

 

C#2.0版有个新特性称为方法组转换（method group conversion），具体代理和泛型代理类型都可以使用。用方法组转换可以把上面一行写做简化语法：

MyDelegate<int> m = Notify;

 

在泛型类中定义的委托，可以与类的方法一样地使用泛型类的类型参数。

 

class Stack<T>

{

T[] items;

      int index

//...

public delegate void StackDelegate(T[] items);

}

 

引用委托的代码必须要指定所在类的类型参数，如下：

 

Stack<float> s = new Stack<float>();

Stack<float>.StackDelegate myDelegate = StackNotify;

 

 

泛型委托在定义基于典型设计模式的事件时特别有用。因为sender[JX2] ，而再也不用与Object相互转换。

 

public void StackEventHandler<T,U>(T sender, U eventArgs);

class Stack<T>

{

    //…

    public class StackEventArgs : EventArgs{...}

    public event StackEventHandler<Stack<T>, StackEventArgs> stackEvent;

    protected virtual void OnStackChanged(StackEventArgs a)

    {

      stackEvent(this, a);

    }

}

class MyClass

{

  public static void HandleStackChange<T>(Stack<T> stack, StackEventArgs args){...};

}

Stack<double> s = new Stack<double>();

MyClass mc = new MyClass();

s.StackEventHandler += mc.HandleStackChange;

 

九、泛型代码中的 default 关键字

 

在泛型类和泛型方法中会出现的一个问题是，如何把缺省值赋给参数化类型，此时无法预先知道以下两点：

l        T将是值类型还是引用类型

l        如果T是值类型，那么T将是数值还是结构

 

对于一个参数化类型T的变量t，仅当T是引用类型时，t = null语句才是合法的； t = 0只对数值的有效，而对结构则不行。这个问题的解决办法是用default关键字，它对引用类型返回空，对值类型的数值型返回零。而对于结构，它将返回结 构每个成员，并根据成员是值类型还是引用类型，返回零或空。下面MyList<T>类的例子显示了如何使用default关键字。更多信息， 请参见泛型概述。

 

public class MyList<T>

{

    //...

        public T GetNext()

        {

            T temp = default(T);

            if (current != null)

            {

                temp = current.Data;

                current = current.Next;

            }

            return temp;

        }

}