C#编程の泛型编程

什么是泛型

我们在编写程序时，经常遇到两个模块的功能非常相似，只是一个是处理int数据，另一个是处理string数据，或者其他自定义的数据类型，但我们没有办法，只能分别写多个方法处理每个数据类型，因为方法的参数类型不同。有没有一种办法，在方法中传入通用的数据类型，这样不就可以合并代码了吗？泛型的出现就是专门解决这个问题的。

泛型中分为开放类型和封闭类型，具体区分如下：
开放类型：具有类型参数的类型就是开放类型（所有未绑定泛型类型都属于开放类型）
封闭类型：为每个类型参数都传递了实际的数据类型（类型实参）

为什么要使用泛型
为了了解这个问题，我们先看下面的代码，代码省略了一些内容，但功能是实现一个栈，这个栈只能处理int数据类型：

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];

}

}

上面代码运行的很好，但是，当我们需要一个栈来保存string类型时，该怎么办呢？很多人都会想到把上面的代码复制一份，把int改成string不就行了。当然，这样做本身是没有任何问题的，但一个优秀的程序是不会这样做的，因为他想到若以后再需要long、Node类型的栈该怎样做呢？还要再复制吗？优秀的程序员会想到用一个通用的数据类型object来实现这个栈：

public class Stack

{

private object[] m_item;

public object Pop(){...}

public void Push(object item){...}

public Stack(int i)

{

this.m_item = new[i];

}

}

这个栈写的不错，他非常灵活，可以接收任何数据类型，可以说是一劳永逸。但全面地讲，也不是没有缺陷的，主要表现在：

当Stack处理值类型时，会出现装箱、折箱操作，这将在托管堆上分配和回收大量的变量，若数据量大，则性能损失非常严重。 
在处理引用类型时，虽然没有装箱和折箱操作，但将用到数据类型的强制转换操作，增加处理器的负担。 
在数据类型的强制转换上还有更严重的问题（假设stack是Stack的一个实例）：
Node1 x = new Node1();

stack.Push(x);

Node2 y = (Node2)stack.Pop();

上面的代码在编译时是完全没问题的，但由于Push了一个Node1类型的数据，但在Pop时却要求转换为Node2类型，这将出现程序运行时的类型转换异常，但却逃离了编译器的检查。

针对object类型栈的问题，我们引入泛型，他可以优雅地解决这些问题。泛型用用一个通过的数据类型T来代替object，在类实例化时指定T的类型，运行时（Runtime）自动编译为本地代码，运行效率和代码质量都有很大提高，并且保证数据类型安全。

使用泛型
下面是用泛型来重写上面的栈，用一个通用的数据类型T来作为一个占位符，等待在实例化时用一个实际的类型来代替。让我们来看看泛型的威力：

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];

}

}

类的写法不变，只是引入了通用数据类型T就可以适用于任何数据类型，并且类型安全的。这个类的调用方法：

//实例化只能保存int类型的类

Stack<int> a = new Stack<int>(100);

a.Push(10);

a.Push("8888"); //这一行编译不通过，因为类a只接收int类型的数据

int x = a.Pop();

//实例化只能保存string类型的类

Stack<string> b = new Stack<string>(100);

b.Push(10);    //这一行编译不通过，因为类b只接收string类型的数据

b.Push("8888");

string y = b.Pop();

这个类和object实现的类有截然不同的区别：

1.       他是类型安全的。实例化了int类型的栈，就不能处理string类型的数据，其他数据类型也一样。

2.       无需装箱和折箱。这个类在实例化时，按照所传入的数据类型生成本地代码，本地代码数据类型已确定，所以无需装箱和折箱。

3.       无需类型转换。

泛型类实例化的理论
C#泛型类在编译时，先生成中间代码IL，通用类型T只是一个占位符。在实例化类时，根据用户指定的数据类型代替T并由即时编译器（JIT）生成本地代码，这个本地代码中已经使用了实际的数据类型，等同于用实际类型写的类，所以不同的封闭类的本地代码是不一样的。按照这个原理，我们可以这样认为：

泛型类的不同的封闭类是分别不同的数据类型。

例：Stack<int>和Stack<string>是两个完全没有任何关系的类，你可以把他看成类A和类B，这个解释对泛型类的静态成员的理解有很大帮助。

泛型类中数据类型的约束
程序员在编写泛型类时，总是会对通用数据类型T进行有意或无意地有假想，也就是说这个T一般来说是不能适应所有类型，但怎样限制调用者传入的数据类型呢？这就需要对传入的数据类型进行约束，约束的方式是指定T的祖先，即继承的接口或类。因为C#的单根继承性，所以约束可以有多个接口，但最多只能有一个类，并且类必须在接口之前。这时就用到了C#2.0的新增关键字：

public class Node<T, V> where T : Stack, IComparable

where V: Stack

{...}

以上的泛型类的约束表明，T必须是从Stack和IComparable继承，V必须是Stack或从Stack继承，否则将无法通过编译器的类型检查，编译失败。

通用类型T没有特指，但因为C#中所有的类都是从object继承来，所以他在类Node的编写中只能调用object类的方法，这给程序的编写造成了困难。比如你的类设计只需要支持两种数据类型int和string，并且在类中需要对T类型的变量比较大小，但这些却无法实现，因为object是没有比较大小的方法的。 了解决这个问题，只需对T进行IComparable约束，这时在类Node里就可以对T的实例执行CompareTo方法了。这个问题可以扩展到其他用户自定义的数据类型。

如果在类Node里需要对T重新进行实例化该怎么办呢？因为类Node中不知道类T到底有哪些构造函数。为了解决这个问题，需要用到new约束：

public class Node<T, V> where T : Stack, new()

where V: IComparable

需要注意的是，new约束只能是无参数的，所以也要求相应的类Stack必须有一个无参构造函数，否则编译失败。

C#中数据类型有两大类：引用类型和值类型。引用类型如所有的类，值类型一般是语言的最基本类型，如int, long, struct等，在泛型的约束中，我们也可以大范围地限制类型T必须是引用类型或必须是值类型，分别对应的关键字是class和struct:

public class Node<T, V> where T : class

where V: struct

泛型方法
泛型不仅能作用在类上，也可单独用在类的方法上，他可根据方法参数的类型自动适应各种参数，这样的方法叫泛型方法。看下面的类：

public class Stack2

{

public void Push<T>(Stack<T> s, params T[] p)

{

foreach (T t in p)

{

s.Push(t);

}

}

}

原来的类Stack一次只能Push一个数据，这个类Stack2扩展了Stack的功能（当然也可以直接写在Stack中），他可以一次把多个数据压入Stack中。其中Push是一个泛型方法，这个方法的调用示例如下：

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的值为64321

泛型中的静态成员变量
在C#1.x中，我们知道类的静态成员变量在不同的类实例间是共享的，并且他是通过类名访问的。C#2.0中由于引进了泛型，导致静态成员变量的机制出现了一些变化：静态成员变量在相同封闭类间共享，不同的封闭类间不共享。

这也非常容易理解，因为不同的封闭类虽然有相同的类名称，但由于分别传入了不同的数据类型，他们是完全不同的类，比如：

Stack<int> a = new Stack<int>();

Stack<int> b = new Stack<int>();

Stack<long> c = new Stack<long>();

类实例a和b是同一类型，他们之间共享静态成员变量，但类实例c却是和a、b完全不同的类型，所以不能和a、b共享静态成员变量。

泛型中的静态构造函数
静态构造函数的规则：只能有一个，且不能有参数，他只能被.NET运行时自动调用，而不能人工调用。

泛型中的静态构造函数的原理和非泛型类是一样的，只需把泛型中的不同的封闭类理解为不同的类即可。以下两种情况可激发静态的构造函数：

1.       特定的封闭类第一次被实例化。

2.       特定封闭类中任一静态成员变量被调用。

泛型类中的方法重载
方法的重载在.Net Framework中被大量应用，他要求重载具有不同的签名。在泛型类中，由于通用类型T在类编写时并不确定，所以在重载时有些注意事项，这些事项我们通过以下的例子说明：

public class Node<T, V>

{

public T add(T a, V b)          //第一个add

{

return a;

}

public T add(V a, T b)          //第二个add

{

return b;

}

public int add(int a, int b)    //第三个add

{

return a + b;

}

}

上面的类很明显，如果T和V都传入int的话，三个add方法将具有同样的签名，但这个类仍然能通过编译，是否会引起调用混淆将在这个类实例化和调用add方法时判断。请看下面调用代码：

Node<int, int> node = new Node<int, int>();

object x = node.add(2, 11);

这个Node的实例化引起了三个add具有同样的签名，但却能调用成功，因为他优先匹配了第三个add。但如果删除了第三个add，上面的调用代码则无法编译通过，提示方法产生的混淆，因为运行时无法在第一个add和第二个add之间选择。

Node<string, int> node = new Node<string, int>();

object x = node.add(2, "11");

这两行调用代码可正确编译，因为传入的string和int，使三个add具有不同的签名，当然能找到唯一匹配的add方法。

由以上示例可知，C#的泛型是在实例的方法被调用时检查重载是否产生混淆，而不是在泛型类本身编译时检查。同时还得出一个重要原则：

当一般方法与泛型方法具有相同的签名时，会覆盖泛型方法。

泛型类的方法重写
方法重写（override）的主要问题是方法签名的识别规则，在这一点上他与方法重载一样，请参考泛型类的方法重载。

泛型的使用范围
本文主要是在类中讲述泛型，实际上，泛型还可以用在类方法、接口、结构（struct）、委托等上面使用，使用方法大致相同，就不再讲述。

小结
C# 泛型是开发工具库中的一个无价之宝。它们可以提高性能、类型安全和质量，减少重复性的编程任务，简化总体编程模型，而这一切都是通过优雅的、可读性强的语法完成的。尽管 C# 泛型的根基是 C++ 模板，但 C# 通过提供编译时安全和支持将泛型提高到了一个新水平。C# 利用了两阶段编译、元数据以及诸如约束和一般方法之类的创新性的概念。毫无疑问，C# 的将来版本将继续发展泛型，以便添加新的功能，并且将泛型扩展到诸如数据访问或本地化之类的其他 .NET Framework 领域。

什么是泛型

我们在编写程序时，经常遇到两个模块的功能非常相似，只是一个是处理int数据，另一个是处理string数据，或者其他自定义的数据类型，但我们没有办法，只能分别写多个方法处理每个数据类型，因为方法的参数类型不同。有没有一种办法，在方法中传入通用的数据类型，这样不就可以合并代码了吗？泛型的出现就是专门解决这个问题的。读完本篇文章，你会对泛型有更深的了解。

为什么要使用泛型
为了了解这个问题，我们先看下面的代码，代码省略了一些内容，但功能是实现一个栈，这个栈只能处理int数据类型：

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];

}

}

上面代码运行的很好，但是，当我们需要一个栈来保存string类型时，该怎么办呢？很多人都会想到把上面的代码复制一份，把int改成string不就行了。当然，这样做本身是没有任何问题的，但一个优秀的程序是不会这样做的，因为他想到若以后再需要long、Node类型的栈该怎样做呢？还要再复制吗？优秀的程序员会想到用一个通用的数据类型object来实现这个栈：

public class Stack

{

private object[] m_item;

public object Pop(){...}

public void Push(object item){...}

public Stack(int i)

{

this.m_item = new[i];

}

}

这个栈写的不错，他非常灵活，可以接收任何数据类型，可以说是一劳永逸。但全面地讲，也不是没有缺陷的，主要表现在：

当Stack处理值类型时，会出现装箱、折箱操作，这将在托管堆上分配和回收大量的变量，若数据量大，则性能损失非常严重。 
在处理引用类型时，虽然没有装箱和折箱操作，但将用到数据类型的强制转换操作，增加处理器的负担。 
在数据类型的强制转换上还有更严重的问题（假设stack是Stack的一个实例）：
Node1 x = new Node1();

stack.Push(x);

Node2 y = (Node2)stack.Pop();

上面的代码在编译时是完全没问题的，但由于Push了一个Node1类型的数据，但在Pop时却要求转换为Node2类型，这将出现程序运行时的类型转换异常，但却逃离了编译器的检查。

针对object类型栈的问题，我们引入泛型，他可以优雅地解决这些问题。泛型用用一个通过的数据类型T来代替object，在类实例化时指定T的类型，运行时（Runtime）自动编译为本地代码，运行效率和代码质量都有很大提高，并且保证数据类型安全。

使用泛型
下面是用泛型来重写上面的栈，用一个通用的数据类型T来作为一个占位符，等待在实例化时用一个实际的类型来代替。让我们来看看泛型的威力：

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];

}

}

类的写法不变，只是引入了通用数据类型T就可以适用于任何数据类型，并且类型安全的。这个类的调用方法：

//实例化只能保存int类型的类

Stack<int> a = new Stack<int>(100);

a.Push(10);

a.Push("8888"); //这一行编译不通过，因为类a只接收int类型的数据

int x = a.Pop();

//实例化只能保存string类型的类

Stack<string> b = new Stack<string>(100);

b.Push(10);    //这一行编译不通过，因为类b只接收string类型的数据

b.Push("8888");

string y = b.Pop();

这个类和object实现的类有截然不同的区别：

1.       他是类型安全的。实例化了int类型的栈，就不能处理string类型的数据，其他数据类型也一样。

2.       无需装箱和折箱。这个类在实例化时，按照所传入的数据类型生成本地代码，本地代码数据类型已确定，所以无需装箱和折箱。

3.       无需类型转换。

泛型类实例化的理论
C#泛型类在编译时，先生成中间代码IL，通用类型T只是一个占位符。在实例化类时，根据用户指定的数据类型代替T并由即时编译器（JIT）生成本地代码，这个本地代码中已经使用了实际的数据类型，等同于用实际类型写的类，所以不同的封闭类的本地代码是不一样的。按照这个原理，我们可以这样认为：

泛型类的不同的封闭类是分别不同的数据类型。

例：Stack<int>和Stack<string>是两个完全没有任何关系的类，你可以把他看成类A和类B，这个解释对泛型类的静态成员的理解有很大帮助。

泛型类中数据类型的约束
程序员在编写泛型类时，总是会对通用数据类型T进行有意或无意地有假想，也就是说这个T一般来说是不能适应所有类型，但怎样限制调用者传入的数据类型呢？这就需要对传入的数据类型进行约束，约束的方式是指定T的祖先，即继承的接口或类。因为C#的单根继承性，所以约束可以有多个接口，但最多只能有一个类，并且类必须在接口之前。这时就用到了C#2.0的新增关键字：

public class Node<T, V> where T : Stack, IComparable

where V: Stack

{...}

以上的泛型类的约束表明，T必须是从Stack和IComparable继承，V必须是Stack或从Stack继承，否则将无法通过编译器的类型检查，编译失败。

通用类型T没有特指，但因为C#中所有的类都是从object继承来，所以他在类Node的编写中只能调用object类的方法，这给程序的编写造成了困难。比如你的类设计只需要支持两种数据类型int和string，并且在类中需要对T类型的变量比较大小，但这些却无法实现，因为object是没有比较大小的方法的。 了解决这个问题，只需对T进行IComparable约束，这时在类Node里就可以对T的实例执行CompareTo方法了。这个问题可以扩展到其他用户自定义的数据类型。

如果在类Node里需要对T重新进行实例化该怎么办呢？因为类Node中不知道类T到底有哪些构造函数。为了解决这个问题，需要用到new约束：

public class Node<T, V> where T : Stack, new()

where V: IComparable

需要注意的是，new约束只能是无参数的，所以也要求相应的类Stack必须有一个无参构造函数，否则编译失败。

C#中数据类型有两大类：引用类型和值类型。引用类型如所有的类，值类型一般是语言的最基本类型，如int, long, struct等，在泛型的约束中，我们也可以大范围地限制类型T必须是引用类型或必须是值类型，分别对应的关键字是class和struct:

public class Node<T, V> where T : class

where V: struct

泛型方法
泛型不仅能作用在类上，也可单独用在类的方法上，他可根据方法参数的类型自动适应各种参数，这样的方法叫泛型方法。看下面的类：

public class Stack2

{

public void Push<T>(Stack<T> s, params T[] p)

{

foreach (T t in p)

{

s.Push(t);

}

}

}

原来的类Stack一次只能Push一个数据，这个类Stack2扩展了Stack的功能（当然也可以直接写在Stack中），他可以一次把多个数据压入Stack中。其中Push是一个泛型方法，这个方法的调用示例如下：

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的值为64321

泛型中的静态成员变量
在C#1.x中，我们知道类的静态成员变量在不同的类实例间是共享的，并且他是通过类名访问的。C#2.0中由于引进了泛型，导致静态成员变量的机制出现了一些变化：静态成员变量在相同封闭类间共享，不同的封闭类间不共享。

这也非常容易理解，因为不同的封闭类虽然有相同的类名称，但由于分别传入了不同的数据类型，他们是完全不同的类，比如：

Stack<int> a = new Stack<int>();

Stack<int> b = new Stack<int>();

Stack<long> c = new Stack<long>();

类实例a和b是同一类型，他们之间共享静态成员变量，但类实例c却是和a、b完全不同的类型，所以不能和a、b共享静态成员变量。

泛型中的静态构造函数
静态构造函数的规则：只能有一个，且不能有参数，他只能被.NET运行时自动调用，而不能人工调用。

泛型中的静态构造函数的原理和非泛型类是一样的，只需把泛型中的不同的封闭类理解为不同的类即可。以下两种情况可激发静态的构造函数：

1.       特定的封闭类第一次被实例化。

2.       特定封闭类中任一静态成员变量被调用。

泛型类中的方法重载
方法的重载在.Net Framework中被大量应用，他要求重载具有不同的签名。在泛型类中，由于通用类型T在类编写时并不确定，所以在重载时有些注意事项，这些事项我们通过以下的例子说明：

public class Node<T, V>

{

public T add(T a, V b)          //第一个add

{

return a;

}

public T add(V a, T b)          //第二个add

{

return b;

}

public int add(int a, int b)    //第三个add

{

return a + b;

}

}

上面的类很明显，如果T和V都传入int的话，三个add方法将具有同样的签名，但这个类仍然能通过编译，是否会引起调用混淆将在这个类实例化和调用add方法时判断。请看下面调用代码：

Node<int, int> node = new Node<int, int>();

object x = node.add(2, 11);

这个Node的实例化引起了三个add具有同样的签名，但却能调用成功，因为他优先匹配了第三个add。但如果删除了第三个add，上面的调用代码则无法编译通过，提示方法产生的混淆，因为运行时无法在第一个add和第二个add之间选择。

Node<string, int> node = new Node<string, int>();

object x = node.add(2, "11");

这两行调用代码可正确编译，因为传入的string和int，使三个add具有不同的签名，当然能找到唯一匹配的add方法。

由以上示例可知，C#的泛型是在实例的方法被调用时检查重载是否产生混淆，而不是在泛型类本身编译时检查。同时还得出一个重要原则：

当一般方法与泛型方法具有相同的签名时，会覆盖泛型方法。

泛型类的方法重写
方法重写（override）的主要问题是方法签名的识别规则，在这一点上他与方法重载一样，请参考泛型类的方法重载。

泛型的使用范围
本文主要是在类中讲述泛型，实际上，泛型还可以用在类方法、接口、结构（struct）、委托等上面使用，使用方法大致相同，就不再讲述。

泛型修饰符逆变（in）、协变（out）

逆变：
// Contravariant interface.
interface IContravariant<in A> { }

// Extending contravariant interface.
interface IExtContravariant<in A> : IContravariant<A> { }

// Implementing contravariant interface.
class Sample<A> : IContravariant<A> { }

class Program
{
    static void Test()
    {
        IContravariant<Object> iobj = new Sample<Object>();
        IContravariant<String> istr = new Sample<String>();

        // You can assign iobj to istr because
        // the IContravariant interface is contravariant.
        istr = iobj;
    }
}

协变：
// Covariant interface.
interface ICovariant<out R> { }

// Extending covariant interface.
interface IExtCovariant<out R> : ICovariant<R> { }

// Implementing covariant interface.
class Sample<R> : ICovariant<R> { }

class Program
{
    static void Test()
    {
        ICovariant<Object> iobj = new Sample<Object>();
        ICovariant<String> istr = new Sample<String>();

        // You can assign istr to iobj because
        // the ICovariant interface is covariant.
        iobj = istr;
    }
}

参见：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/keywords/out-generic-modifier

小结
C# 泛型是开发工具库中的一个无价之宝。它们可以提高性能、类型安全和质量，减少重复性的编程任务，简化总体编程模型，而这一切都是通过优雅的、可读性强的语法完成的。尽管 C# 泛型的根基是 C++ 模板，但 C# 通过提供编译时安全和支持将泛型提高到了一个新水平。C# 利用了两阶段编译、元数据以及诸如约束和一般方法之类的创新性的概念。毫无疑问，C# 的将来版本将继续发展泛型，以便添加新的功能，并且将泛型扩展到诸如数据访问或本地化之类的其他 .NET Framework 领域。