C#泛型编程
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2022-05-21 21:12:07
...
泛型：通过参数化类型来实现在同一份代码上操作多种数据类型。利用“参数化类型”将类型抽象化，从而实现灵活的复用。
例子代码：
class PRogram
{
static void Main(string[] args)
{
int obj = 2;
Test<int> test = new Test<int>(obj);
Console.WriteLine("int:" + test.obj);
string obj2 = "hello world";
Test<string> test1 = new Test<string>(obj2);
Console.WriteLine("String:" + test1.obj);
Console.Read();
}
}
class Test<T>
{
public T obj;
public Test(T obj)
{
this.obj = obj;
}
}
输出结果是：
int:2
String:hello world
程序分析：
1、 Test是一个泛型类。T是要实例化的范型类型。如果T被实例化为int型，那么成员变量obj就是int型的，如果T被实例化为string型，那么obj就是string类型的。
2、 根据不同的类型，上面的程序显示出不同的值。
C#泛型机制：
C#泛型能力有CLR在运行时支持：C#泛型代码在编译为IL代码和元数据时，采用特殊的占位符来表示范型类型，并用专有的IL指令支持泛型操作。而真正的泛型实例化工作以“on-demand”的方式，发生在JIT编译时。
看看刚才的代码中Main函数的元数据
.method private hidebysig static void Main(string[] args) cil managed
{
.entrypoint
// Code size 79 (0x4f)
.maxstack 2
.locals init ([0] int32 obj,
[1] class CSharpStudy1.Test`1<int32> test,
[2] string obj2,
[3] class CSharpStudy1.Test`1<string> test1)
IL_0000: nop
IL_0001: ldc.i4.2
IL_0002: stloc.0
IL_0003: ldloc.0
IL_0004: newobj instance void class CSharpStudy1.Test`1<int32>::.ctor(!0)
IL_0009: stloc.1
IL_000a: ldstr "int:"
IL_000f: ldloc.1
IL_0010: ldfld !0 class CSharpStudy1.Test`1<int32>::obj
IL_0015: box [mscorlib]System.Int32
IL_001a: call string [mscorlib]System.String::Concat(object,
object)
IL_001f: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
IL_0024: nop
IL_0025: ldstr "hello world"
IL_002a: stloc.2
IL_002b: ldloc.2
IL_002c: newobj instance void class CSharpStudy1.Test`1<string>::.ctor(!0)
IL_0031: stloc.3
IL_0032: ldstr "String:"
IL_0037: ldloc.3
IL_0038: ldfld !0 class CSharpStudy1.Test`1<string>::obj
IL_003d: call string [mscorlib]System.String::Concat(string,
string)
IL_0042: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
IL_0047: nop
IL_0048: call int32 [mscorlib]System.Console::Read()
IL_004d: pop
IL_004e: ret
} // end of method Program::Main
再来看看Test类中构造函数的元数据
.method public hidebysig specialname rtspecialname
instance void .ctor(!T obj) cil managed
{
// Code size 17 (0x11)
.maxstack 8
IL_0000: ldarg.0
IL_0001: call instance void [mscorlib]System.Object::.ctor()
IL_0006: nop
IL_0007: nop
IL_0008: ldarg.0
IL_0009: ldarg.1
IL_000a: stfld !0 class ConsoleCSharpTest1.Test`1<!T>::obj
IL_000f: nop
IL_0010: ret
} // end of method Test`1::.ctor
1、第一轮编译时，编译器只为Test<T>类型产生“泛型版”的IL代码与元数据——并不进行泛型的实例化，T在中间只充当占位符。例如：Test类型元数据中显示的<!T>
2、JIT编译时，当JIT编译器第一次遇到Test<int>时，将用int替换“范型版”IL代码与元数据中的T——进行泛型类型的实例化。例如：Main函数中显示的<int>
3、CLR为所有类型参数为“引用类型”的泛型类型产生同一份代码；但是如果类型参数为“值类型”，对每一个不同的“值类型”，CLR将为其产生一份独立的代码。因为实例化一个引用类型的泛型，它在内存中分配的大小是一样的，但是当实例化一个值类型的时候，在内存中分配的大小是不一样的。
C#泛型特点：
1、如果实例化泛型类型的参数相同，那么JIT编辑器会重复使用该类型，因此C#的动态泛型能力避免了C++静态模板可能导致的代码膨胀的问题。
2、C#泛型类型携带有丰富的元数据，因此C#的泛型类型可以应用于强大的反射技术。
3、C#的泛型采用“基类、接口、构造器，值类型/引用类型”的约束方式来实现对类型参数的“显示约束”，提高了类型安全的同时，也丧失了C++模板基于“签名”的隐式约束所具有的高灵活性
C#泛型继承：
C#除了可以单独声明泛型类型（包括类与结构）外，也可以在基类中包含泛型类型的声明。但基类如果是泛型类，它的类型要么以实例化，要么来源于子类（同样是泛型类型）声明的类型参数，看如下类型
class C<U,V>
class D:C<string,int>
class E<U,V>:C<U,V>
class F<U,V>:C<string,int>
class G:C<U,V> //非法
E类型为C类型提供了U、V，也就是上面说的来源于子类
F类型继承于C<string,int>，个人认为可以看成F继承一个非泛型的类
G类型为非法的，因为G类型不是泛型，C是泛型，G无法给C提供泛型的实例化
泛型类型的成员：
泛型类型的成员可以使用泛型类型声明中的类型参数。但类型参数如果没有任何约束，则只能在该类型上使用从System.Object继承的公有成员。如下图：
泛型接口：
泛型接口的类型参数要么已实例化，要么来源于实现类声明的类型参数
泛型委托：
泛型委托支持在委托返回值和参数上应用参数类型，这些参数类型同样可以附带合法的约束
delegate bool MyDelegate<T>(T value);
class MyClass
{
static bool F(int i){...}
static bool G(string s){...}
static void Main()
{
MyDelegate<string> p2 = G;
MyDelegate<int> p1 = new MyDelegate<int>(F);
}
}
泛型方法：
1、C#泛型机制只支持“在方法声明上包含类型参数”——即泛型方法。
2、C#泛型机制不支持在除方法外的其他成员（包括属性、事件、索引器、构造器、析构器）的声明上包含类型参数，但这些成员本身可以包含在泛型类型中，并使用泛型类型的类型参数。
3、泛型方法既可以包含在泛型类型中，也可以包含在非泛型类型中。
泛型方法声明：如下
public static int FunctionName<T>(T value){...}
泛型方法的重载：
public void Function1<T>(T a);
public void Function1<U>(U a);
这样是不能构成泛型方法的重载。因为编译器无法确定泛型类型T和U是否不同，也就无法确定这两个方法是否不同
public void Function1<T>(int x);
public void Function1(int x);
这样可以构成重载
public void Function1<T>(T t) where T:A;
public void Function1<T>(T t) where T:B;
这样不能构成泛型方法的重载。因为编译器无法确定约束条件中的A和B是否不同，也就无法确定这两个方法是否不同
泛型方法重写：
在重写的过程中，抽象类中的抽象方法的约束是被默认继承的。如下：
abstract class Base
{
public abstract T F<T,U>(T t,U u) where U:T;
public abstract T G<T>(T t) where T:IComparable;
}
class MyClass:Base
{
public override X F<X,Y>(X x,Y y){...}
public override T G<T>(T t) where T:IComparable{}
}
对于MyClass中两个重写的方法来说
F方法是合法的，约束被默认继承
G方法是非法的，指定任何约束都是多余的
泛型约束：
1、C#泛型要求对“所有泛型类型或泛型方法的类型参数”的任何假定，都要基于“显式的约束”，以维护C#所要求的类型安全。
2、“显式约束”由where子句表达，可以指定“基类约束”，“接口约束”，“构造器约束”，“值类型/引用类型约束”共四种约束。
3、“显式约束”并非必须，如果没有指定“显式约束”，范型类型参数将只能访问System.Object类型中的公有方法。例如：在开始的例子中，定义的那个obj成员变量。比如我们在开始的那个例子中加入一个Test1类，在它当中定义两个公共方法Func1、Func2，如下图：
下面就开始分析这些约束：
基类约束：
class A
{
public void Func1()
{ }
}
class B
{
public void Func2()
{ }
}
class C<S, T>
where S : A
where T : B
{
public C(S s,T t)
{
//S的变量可以调用Func1方法
s.Func1();
//T的变量可以调用Func2方法
t.Func2();
}
}
接口约束：
interface IA<T>
{
T Func1();
}
interface IB
{
void Func2();
}
interface IC<T>
{
T Func3();
}
class MyClass<T, V>
where T : IA<T>
where V : IB, IC<V>
{
public MyClass(T t,V v)
{
//T的对象可以调用Func1
t.Func1();
//V的对象可以调用Func2和Func3
v.Func2();
v.Func3();
}
}
构造器约束：
class A
{
public A()
{ }
}
class B
{
public B(int i)
{ }
}
class C<T> where T : new()
{
T t;
public C()
{
t = new T();
}
}
class D
{
public void Func()
{
C<A> c = new C<A>();
C<B> d = new C<B>();
}
}
d对象在编译时报错：The type B must have a public parameterless constructor in order to use it as parameter 'T' in the generic type or method C<T>
注意：C#现在只支持无参的构造器约束
此时由于我们为B类型写入了一个有参构造器，使得系统不会再为B自动创建一个无参的构造器，但是如果我们将B类型中加一个无参构造器，那么对象d的实例化就不会报错了。B类型定义如下：
class B
{
public B()
{ }
public B(int i)
{ }
}
值类型/引用类型：
public struct A { }
public class B { }
public class C<T> where T : struct
{
}
C<A> c1 = new C<A>();
C<B> c2 = new C<B>();
c2对象在编译时报错：The type 'B' must be a non-nullable value type in order to use it as parameter 'T' in the generic type or methor 'C<T>'
总结：
1、C#的泛型能力由CLR在运行时支持，它既不同于C++在编译时所支持的静态模板，也不同于java在编译器层面使用“擦拭法”支持的简单的泛型。
2、C#的泛型支持包括类、结构、接口、委托四种泛型类型，以及方法成员。
3、C#的泛型采用“基类，接口，构造器，值类型/引用类型”的约束方式来实现对类型参数的“显式约束”，它不支持C++模板那样的基于签名的隐式约束。
例子代码：
class PRogram
{
static void Main(string[] args)
{
int obj = 2;
Test<int> test = new Test<int>(obj);
Console.WriteLine("int:" + test.obj);
string obj2 = "hello world";
Test<string> test1 = new Test<string>(obj2);
Console.WriteLine("String:" + test1.obj);
Console.Read();
}
}
class Test<T>
{
public T obj;
public Test(T obj)
{
this.obj = obj;
}
}
输出结果是：
int:2
String:hello world
程序分析：
1、 Test是一个泛型类。T是要实例化的范型类型。如果T被实例化为int型，那么成员变量obj就是int型的，如果T被实例化为string型，那么obj就是string类型的。
2、 根据不同的类型，上面的程序显示出不同的值。
C#泛型机制：
C#泛型能力有CLR在运行时支持：C#泛型代码在编译为IL代码和元数据时，采用特殊的占位符来表示范型类型，并用专有的IL指令支持泛型操作。而真正的泛型实例化工作以“on-demand”的方式，发生在JIT编译时。
看看刚才的代码中Main函数的元数据
.method private hidebysig static void Main(string[] args) cil managed
{
.entrypoint
// Code size 79 (0x4f)
.maxstack 2
.locals init ([0] int32 obj,
[1] class CSharpStudy1.Test`1<int32> test,
[2] string obj2,
[3] class CSharpStudy1.Test`1<string> test1)
IL_0000: nop
IL_0001: ldc.i4.2
IL_0002: stloc.0
IL_0003: ldloc.0
IL_0004: newobj instance void class CSharpStudy1.Test`1<int32>::.ctor(!0)
IL_0009: stloc.1
IL_000a: ldstr "int:"
IL_000f: ldloc.1
IL_0010: ldfld !0 class CSharpStudy1.Test`1<int32>::obj
IL_0015: box [mscorlib]System.Int32
IL_001a: call string [mscorlib]System.String::Concat(object,
object)
IL_001f: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
IL_0024: nop
IL_0025: ldstr "hello world"
IL_002a: stloc.2
IL_002b: ldloc.2
IL_002c: newobj instance void class CSharpStudy1.Test`1<string>::.ctor(!0)
IL_0031: stloc.3
IL_0032: ldstr "String:"
IL_0037: ldloc.3
IL_0038: ldfld !0 class CSharpStudy1.Test`1<string>::obj
IL_003d: call string [mscorlib]System.String::Concat(string,
string)
IL_0042: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
IL_0047: nop
IL_0048: call int32 [mscorlib]System.Console::Read()
IL_004d: pop
IL_004e: ret
} // end of method Program::Main
再来看看Test类中构造函数的元数据
.method public hidebysig specialname rtspecialname
instance void .ctor(!T obj) cil managed
{
// Code size 17 (0x11)
.maxstack 8
IL_0000: ldarg.0
IL_0001: call instance void [mscorlib]System.Object::.ctor()
IL_0006: nop
IL_0007: nop
IL_0008: ldarg.0
IL_0009: ldarg.1
IL_000a: stfld !0 class ConsoleCSharpTest1.Test`1<!T>::obj
IL_000f: nop
IL_0010: ret
} // end of method Test`1::.ctor
1、第一轮编译时，编译器只为Test<T>类型产生“泛型版”的IL代码与元数据——并不进行泛型的实例化，T在中间只充当占位符。例如：Test类型元数据中显示的<!T>
2、JIT编译时，当JIT编译器第一次遇到Test<int>时，将用int替换“范型版”IL代码与元数据中的T——进行泛型类型的实例化。例如：Main函数中显示的<int>
3、CLR为所有类型参数为“引用类型”的泛型类型产生同一份代码；但是如果类型参数为“值类型”，对每一个不同的“值类型”，CLR将为其产生一份独立的代码。因为实例化一个引用类型的泛型，它在内存中分配的大小是一样的，但是当实例化一个值类型的时候，在内存中分配的大小是不一样的。
C#泛型特点：
1、如果实例化泛型类型的参数相同，那么JIT编辑器会重复使用该类型，因此C#的动态泛型能力避免了C++静态模板可能导致的代码膨胀的问题。
2、C#泛型类型携带有丰富的元数据，因此C#的泛型类型可以应用于强大的反射技术。
3、C#的泛型采用“基类、接口、构造器，值类型/引用类型”的约束方式来实现对类型参数的“显示约束”，提高了类型安全的同时，也丧失了C++模板基于“签名”的隐式约束所具有的高灵活性
C#泛型继承：
C#除了可以单独声明泛型类型（包括类与结构）外，也可以在基类中包含泛型类型的声明。但基类如果是泛型类，它的类型要么以实例化，要么来源于子类（同样是泛型类型）声明的类型参数，看如下类型
class C<U,V>
class D:C<string,int>
class E<U,V>:C<U,V>
class F<U,V>:C<string,int>
class G:C<U,V> //非法
E类型为C类型提供了U、V，也就是上面说的来源于子类
F类型继承于C<string,int>，个人认为可以看成F继承一个非泛型的类
G类型为非法的，因为G类型不是泛型，C是泛型，G无法给C提供泛型的实例化
泛型类型的成员：
泛型类型的成员可以使用泛型类型声明中的类型参数。但类型参数如果没有任何约束，则只能在该类型上使用从System.Object继承的公有成员。如下图：
泛型接口：
泛型接口的类型参数要么已实例化，要么来源于实现类声明的类型参数
泛型委托：
泛型委托支持在委托返回值和参数上应用参数类型，这些参数类型同样可以附带合法的约束
delegate bool MyDelegate<T>(T value);
class MyClass
{
static bool F(int i){...}
static bool G(string s){...}
static void Main()
{
MyDelegate<string> p2 = G;
MyDelegate<int> p1 = new MyDelegate<int>(F);
}
}
泛型方法：
1、C#泛型机制只支持“在方法声明上包含类型参数”——即泛型方法。
2、C#泛型机制不支持在除方法外的其他成员（包括属性、事件、索引器、构造器、析构器）的声明上包含类型参数，但这些成员本身可以包含在泛型类型中，并使用泛型类型的类型参数。
3、泛型方法既可以包含在泛型类型中，也可以包含在非泛型类型中。
泛型方法声明：如下
public static int FunctionName<T>(T value){...}
泛型方法的重载：
public void Function1<T>(T a);
public void Function1<U>(U a);
这样是不能构成泛型方法的重载。因为编译器无法确定泛型类型T和U是否不同，也就无法确定这两个方法是否不同
public void Function1<T>(int x);
public void Function1(int x);
这样可以构成重载
public void Function1<T>(T t) where T:A;
public void Function1<T>(T t) where T:B;
这样不能构成泛型方法的重载。因为编译器无法确定约束条件中的A和B是否不同，也就无法确定这两个方法是否不同
泛型方法重写：
在重写的过程中，抽象类中的抽象方法的约束是被默认继承的。如下：
abstract class Base
{
public abstract T F<T,U>(T t,U u) where U:T;
public abstract T G<T>(T t) where T:IComparable;
}
class MyClass:Base
{
public override X F<X,Y>(X x,Y y){...}
public override T G<T>(T t) where T:IComparable{}
}
对于MyClass中两个重写的方法来说
F方法是合法的，约束被默认继承
G方法是非法的，指定任何约束都是多余的
泛型约束：
1、C#泛型要求对“所有泛型类型或泛型方法的类型参数”的任何假定，都要基于“显式的约束”，以维护C#所要求的类型安全。
2、“显式约束”由where子句表达，可以指定“基类约束”，“接口约束”，“构造器约束”，“值类型/引用类型约束”共四种约束。
3、“显式约束”并非必须，如果没有指定“显式约束”，范型类型参数将只能访问System.Object类型中的公有方法。例如：在开始的例子中，定义的那个obj成员变量。比如我们在开始的那个例子中加入一个Test1类，在它当中定义两个公共方法Func1、Func2，如下图：
下面就开始分析这些约束：
基类约束：
class A
{
public void Func1()
{ }
}
class B
{
public void Func2()
{ }
}
class C<S, T>
where S : A
where T : B
{
public C(S s,T t)
{
//S的变量可以调用Func1方法
s.Func1();
//T的变量可以调用Func2方法
t.Func2();
}
}
接口约束：
interface IA<T>
{
T Func1();
}
interface IB
{
void Func2();
}
interface IC<T>
{
T Func3();
}
class MyClass<T, V>
where T : IA<T>
where V : IB, IC<V>
{
public MyClass(T t,V v)
{
//T的对象可以调用Func1
t.Func1();
//V的对象可以调用Func2和Func3
v.Func2();
v.Func3();
}
}
构造器约束：
class A
{
public A()
{ }
}
class B
{
public B(int i)
{ }
}
class C<T> where T : new()
{
T t;
public C()
{
t = new T();
}
}
class D
{
public void Func()
{
C<A> c = new C<A>();
C<B> d = new C<B>();
}
}
d对象在编译时报错：The type B must have a public parameterless constructor in order to use it as parameter 'T' in the generic type or method C<T>
注意：C#现在只支持无参的构造器约束
此时由于我们为B类型写入了一个有参构造器，使得系统不会再为B自动创建一个无参的构造器，但是如果我们将B类型中加一个无参构造器，那么对象d的实例化就不会报错了。B类型定义如下：
class B
{
public B()
{ }
public B(int i)
{ }
}
值类型/引用类型：
public struct A { }
public class B { }
public class C<T> where T : struct
{
}
C<A> c1 = new C<A>();
C<B> c2 = new C<B>();
c2对象在编译时报错：The type 'B' must be a non-nullable value type in order to use it as parameter 'T' in the generic type or methor 'C<T>'
总结：
1、C#的泛型能力由CLR在运行时支持，它既不同于C++在编译时所支持的静态模板，也不同于java在编译器层面使用“擦拭法”支持的简单的泛型。
2、C#的泛型支持包括类、结构、接口、委托四种泛型类型，以及方法成员。
3、C#的泛型采用“基类，接口，构造器，值类型/引用类型”的约束方式来实现对类型参数的“显式约束”，它不支持C++模板那样的基于签名的隐式约束。
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