C#中的泛型I

weblogical — Fri, 13 Jun 2008 10:02:00 GMT

C#中的泛型I
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，客户代码可以这样调用：MyList， MyList或 MyList。这避免了运行时类型转换或装箱操作的代价和风险。
目录
一、泛型概述
二、泛型的优点
三、泛型类型参数
四、类型参数的约束
五、泛型类
六、泛型接口

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：
在AddHead方法中，作为方法参数的类型。
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。
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时——如MyList——每个出现过的T都要用int代替。
using System;
using System.Collections.Generic;
public class MyList //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 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，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 list = new MyList();
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 list1 = new List();
//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，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 list1 = new MyList();
MyList list2 = new MyList();
MyList list3 = new MyList();
在这些MyList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 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 where T: Employee, IEmployee, IComparable, new()
{...}
下表列出了五类约束：
约束
描述

where T: struct
类型参数必须为值类型。

where T : class
类型参数必须为类型。

where T : new()
类型参数必须有一个公有、无参的构造函数。当于其它约束联合使用时,new()约束必须放在最后。

where T :
类型参数必须是指定的基类型或是派生自指定的基类型。

where T :
类型参数必须是指定的接口或是指定接口的实现。可以指定多个接口约束。接口约束也可以是泛型的。

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{...}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
{
//...
void Add(List 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 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，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),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)。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 : BaseNode
//closed constructed type
class Node : BaseNode
//open constructed type
class Node : BaseNode
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
//Generates an error.
class Node : BaseNode
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 : BaseNode {...}
//Okay.
class Node : BaseNode{...}
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 where T : IComparable, new() {...}
class MyNodeItem : NodeItem where T : IComparable , new(){...}

泛型类型可以使用多种类型参数和约束，如下：
class KeyType{...}
class SuperKeyType where U : IComparable, 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(List list1, List list2){...}
void Swap(List list1, List 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派生的SortedList类。更多信息，请参见泛型概述。SortedList增加了约束where T : IComparable。
这使得SortedList中的BubbleSort方法可以使用表中的元素的IComparable.CompareTo方法。在这个例子中，表中的元素是简单类——实现IComparable 的Person类。
using System;
using System.Collections.Generic;
//Type parameter T in angle brackets.
public class MyList
{
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 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 GetEnumerator()
{
Node current = head;
while (current != null)
{
yield return current.Data;
current = current.Next;
}
}
}
public class SortedList : MyList where T : IComparable
{
// 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
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
// using itself as the type argument. This is a
// common design pattern in objects that are
// stored in generic lists.
public class Person : IComparable
{
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 list = new SortedList ();
//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 where T : IComparable, IMyStack1{}
一个接口可以定义多个类型参数，如下:

IDictionary
接口和类的继承规则相同：
//Okay.
IMyInterface : IBaseInterface
//Okay.
IMyInterface : IBaseInterface
//Okay.
IMyInterface: IBaseInterface
//Error.
IMyInterface : IBaseInterface2
具体类可以实现封闭构造接口，如下:
class MyClass : IBaseInterface
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 : IBaseInterface
//Okay.
class MyClass : IBaseInterface

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。

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