C# 之泛型详解
我們在編寫程序時，經常遇到兩個模塊的功能非常相似，只是一個是處理int數據，另一個是處理string數據，或者其他自定義的數據類型，但我們沒有辦法，只能分別寫多個方法處理每個數據類型，因為方法的參數類型不同。有沒有一種辦法，在方法中傳入通用的數據類型，這樣不就可以合并代碼了嗎？泛型的出現就是專門解決這個問題的。讀完本篇文章，你會對泛型有更深的了解。
為什么要使用泛型
為了了解這個問題，我們先看下面的代碼，代碼省略了一些內容，但功能是實現一個棧，這個棧只能處理int數據類型：
public class Stack
{
private int[] m_item;
public int Pop(){...}
public void Push(int item){...}
public Stack(int i)
{
this.m_item = new int[i];
}
}
上面代碼運行的很好，但是，當我們需要一個棧來保存string類型時，該怎么辦呢？很多人都會想到把上面的代碼復制一份，把int改成string不就行了。當然，這樣做本身是沒有任何問題的，但一個優秀的程序是不會這樣做的，因為他想到若以后再需要long、Node類型的棧該怎樣做呢？還要再復制嗎？優秀的程序員會想到用一個通用的數據類型object來實現這個棧：
public class Stack
{
private object[] m_item;
public object Pop(){...}
public void Push(object item){...}
public Stack(int i)
{
this.m_item = new[i];
}
}
這個棧寫的不錯，他非常靈活，可以接收任何數據類型，可以說是一勞永逸。但全面地講，也不是沒有缺陷的，主要表現在：
當Stack處理值類型時，會出現裝箱、折箱操作，這將在托管堆上分配和回收大量的變量，若數據量大，則性能損失非常嚴重。
在處理引用類型時，雖然沒有裝箱和折箱操作，但將用到數據類型的強制轉換操作，增加處理器的負擔。
在數據類型的強制轉換上還有更嚴重的問題（假設stack是Stack的一個實例）：
Node1 x = new Node1();
stack.Push(x);
Node2 y = (Node2)stack.Pop();
上面的代碼在編譯時是完全沒問題的，但由于Push了一個Node1類型的數據，但在Pop時卻要求轉換為Node2類型，這將出現程序運行時的類型轉換異常，但卻逃離了編譯器的檢查。
針對object類型棧的問題，我們引入泛型，他可以優雅地解決這些問題。泛型用用一個通過的數據類型T來代替object，在類實例化時指定T的類型，運行時（Runtime）自動編譯為本地代碼，運行效率和代碼質量都有很大提高，并且保證數據類型安全。
使用泛型
下面是用泛型來重寫上面的棧，用一個通用的數據類型T來作為一個占位符，等待在實例化時用一個實際的類型來代替。讓我們來看看泛型的威力：
public class Stack<T>
{
private T[] m_item;
public T Pop(){...}
public void Push(T item){...}
public Stack(int i)
{
this.m_item = new T[i];
}
}
類的寫法不變，只是引入了通用數據類型T就可以適用于任何數據類型，并且類型安全的。這個類的調用方法：
//實例化只能保存int類型的類
Stack<int> a = new Stack<int>(100);
a.Push(10);
a.Push("8888"); //這一行編譯不通過，因為類a只接收int類型的數據
int x = a.Pop();
//實例化只能保存string類型的類
Stack<string> b = new Stack<string>(100);
b.Push(10); //這一行編譯不通過，因為類b只接收string類型的數據
b.Push("8888");
string y = b.Pop();
這個類和object實現的類有截然不同的區別：
1. 他是類型安全的。實例化了int類型的棧，就不能處理string類型的數據，其他數據類型也一樣。
2. 無需裝箱和折箱。這個類在實例化時，按照所傳入的數據類型生成本地代碼，本地代碼數據類型已確定，所以無需裝箱和折箱。
3. 無需類型轉換。
泛型類實例化的理論
C#泛型類在編譯時，先生成中間代碼IL，通用類型T只是一個占位符。在實例化類時，根據用戶指定的數據類型代替T并由即時編譯器（JIT）生成本地代碼，這個本地代碼中已經使用了實際的數據類型，等同于用實際類型寫的類，所以不同的封閉類的本地代碼是不一樣的。按照這個原理，我們可以這樣認為：
泛型類的不同的封閉類是分別不同的數據類型。
例：Stack<int>和Stack<string>是兩個完全沒有任何關系的類，你可以把他看成類A和類B，這個解釋對泛型類的靜態成員的理解有很大幫助。
泛型類中數據類型的約束
程序員在編寫泛型類時，總是會對通用數據類型T進行有意或無意地有假想，也就是說這個T一般來說是不能適應所有類型，但怎樣限制調用者傳入的數據類型呢？這就需要對傳入的數據類型進行約束，約束的方式是指定T的祖先，即繼承的接口或類。因為C#的單根繼承性，所以約束可以有多個接口，但最多只能有一個類，并且類必須在接口之前。這時就用到了C#2.0的新增關鍵字：
public class Node<T, V> where T : Stack, IComparable
where V: Stack
{...}
以上的泛型類的約束表明，T必須是從Stack和IComparable繼承，V必須是Stack或從Stack繼承，否則將無法通過編譯器的類型檢查，編譯失敗。
通用類型T沒有特指，但因為C#中所有的類都是從object繼承來，所以他在類Node的編寫中只能調用object類的方法，這給程序的編寫造成了困難。比如你的類設計只需要支持兩種數據類型int和string，并且在類中需要對T類型的變量比較大小，但這些卻無法實現，因為object是沒有比較大小的方法的。 了解決這個問題，只需對T進行IComparable約束，這時在類Node里就可以對T的實例執行CompareTo方法了。這個問題可以擴展到其他用戶自定義的數據類型。
如果在類Node里需要對T重新進行實例化該怎么辦呢？因為類Node中不知道類T到底有哪些構造函數。為了解決這個問題，需要用到new約束：
public class Node<T, V> where T : Stack, new()
where V: IComparable
需要注意的是，new約束只能是無參數的，所以也要求相應的類Stack必須有一個無參構造函數，否則編譯失敗。
C#中數據類型有兩大類：引用類型和值類型。引用類型如所有的類，值類型一般是語言的最基本類型，如int, long, struct等，在泛型的約束中，我們也可以大范圍地限制類型T必須是引用類型或必須是值類型，分別對應的關鍵字是class和struct:
public class Node<T, V> where T : class
where V: struct
泛型方法
泛型不僅能作用在類上，也可單獨用在類的方法上，他可根據方法參數的類型自動適應各種參數，這樣的方法叫泛型方法。看下面的類：
public class Stack2
{
public void Push<T>(Stack<T> s, params T[] p)
{
foreach (T t in p)
{
s.Push(t);
}
}
}
原來的類Stack一次只能Push一個數據，這個類Stack2擴展了Stack的功能（當然也可以直接寫在Stack中），他可以一次把多個數據壓入Stack中。其中Push是一個泛型方法，這個方法的調用示例如下：
Stack<int> x = new Stack<int>(100);
Stack2 x2 = new Stack2();
x2.Push(x, 1, 2, 3, 4, 6);
string s = "";
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
s += x.Pop().ToString();
} //至此，s的值為64321
泛型中的靜態成員變量
在C#1.x中，我們知道類的靜態成員變量在不同的類實例間是共享的，并且他是通過類名訪問的。C#2.0中由于引進了泛型，導致靜態成員變量的機制出現了一些變化：靜態成員變量在相同封閉類間共享，不同的封閉類間不共享。
這也非常容易理解，因為不同的封閉類雖然有相同的類名稱，但由于分別傳入了不同的數據類型，他們是完全不同的類，比如：
Stack<int> a = new Stack<int>();
Stack<int> b = new Stack<int>();
Stack<long> c = new Stack<long>();
類實例a和b是同一類型，他們之間共享靜態成員變量，但類實例c卻是和a、b完全不同的類型，所以不能和a、b共享靜態成員變量。
泛型中的靜態構造函數
靜態構造函數的規則：只能有一個，且不能有參數，他只能被.NET運行時自動調用，而不能人工調用。
泛型中的靜態構造函數的原理和非泛型類是一樣的，只需把泛型中的不同的封閉類理解為不同的類即可。以下兩種情況可激發靜態的構造函數：
1. 特定的封閉類第一次被實例化。
2. 特定封閉類中任一靜態成員變量被調用。
泛型類中的方法重載
方法的重載在.Net Framework中被大量應用，他要求重載具有不同的簽名。在泛型類中，由于通用類型T在類編寫時并不確定，所以在重載時有些注意事項，這些事項我們通過以下的例子說明：
public class Node<T, V>
{
public T add(T a, V b) //第一個add
{
return a;
}
public T add(V a, T b) //第二個add
{
return b;
}
public int add(int a, int b) //第三個add
{
return a + b;
}
}
上面的類很明顯，如果T和V都傳入int的話，三個add方法將具有同樣的簽名，但這個類仍然能通過編譯，是否會引起調用混淆將在這個類實例化和調用add方法時判斷。請看下面調用代碼：
Node<int, int> node = new Node<int, int>();
object x = node.add(2, 11);
這個Node的實例化引起了三個add具有同樣的簽名，但卻能調用成功，因為他優先匹配了第三個add。但如果刪除了第三個add，上面的調用代碼則無法編譯通過，提示方法產生的混淆，因為運行時無法在第一個add和第二個add之間選擇。
Node<string, int> node = new Node<string, int>();
object x = node.add(2, "11");
這兩行調用代碼可正確編譯，因為傳入的string和int，使三個add具有不同的簽名，當然能找到唯一匹配的add方法。
由以上示例可知，C#的泛型是在實例的方法被調用時檢查重載是否產生混淆，而不是在泛型類本身編譯時檢查。同時還得出一個重要原則：
當一般方法與泛型方法具有相同的簽名時，會覆蓋泛型方法。
泛型類的方法重寫
方法重寫（override）的主要問題是方法簽名的識別規則，在這一點上他與方法重載一樣，請參考泛型類的方法重載。
泛型的使用范圍
本文主要是在類中講述泛型，實際上，泛型還可以用在類方法、接口、結構（struct）、委托等上面使用，使用方法大致相同，就不再講述。
小結
C# 泛型是開發工具庫中的一個無價之寶。它們可以提高性能、類型安全和質量，減少重復性的編程任務，簡化總體編程模型，而這一切都是通過優雅的、可讀性強的語法完成的。盡管 C# 泛型的根基是 C++ 模板，但 C# 通過提供編譯時安全和支持將泛型提高到了一個新水平。C# 利用了兩階段編譯、元數據以及諸如約束和一般方法之類的創新性的概念。毫無疑問，C# 的將來版本將繼續發展泛型，以便添加新的功能，并且將泛型擴展到諸如數據訪問或本地化之類的其他 .NET Framework 領域。
本文轉自BlogJava 新浪blog的博客，原文鏈接：C# 之泛型詳解，如需轉載請自行聯系原博主。
總結
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