C#与CLR学习笔记（7）—— 泛型与泛型约束

1 泛型概述

1.1 含义

使用泛型的主要目的有三个：（1）实现代码复用；（2）避免使用Object类，在实例化一个泛型类时，我们需要指定T的实际类型（类型实参），这样保证了类型安全；（3）减少了 Object 造成的装箱拆箱，提高性能（原理见下文）。
对于编译器而言，泛型 T 本质上就是一个 类型参数（Type parameter），所谓参数其实就是一个特殊的占位符。泛型被定义在程序集中，因此当代码被编译成 IL 放到程序集中时，T 仍然存在，例如以下案例：

Console.WriteLine(typeof(List<>));
Console.WriteLine(typeof(Dictionary<,>));
//以下是输出
System.Collections.Generic.List`1[T]
System.Collections.Generic.Dictionary`2[TKey,TValue]

其中，后单引号（`）后面的数字代表类型参数的个数。
在代码运行时，即在 JIT 阶段，IL 被翻译成 本机语言时，泛型类型参数 T 会被替换成具体的类型。例如，如果你使用了 List 类，那么代码中的 T 是在 JIT 翻译之后才变成了 int 类型。因此，不存在类型转换、装箱拆箱，这就是性能更好的原因。

需要注意，未指定类型实参的泛型类型是不能实例化的，因为它是一种 开放类型，这与你不能实例化一个接口一样。传递一个 类型实参 （Type argument）后，变成 封闭类型，才可以实例化。案例：

Object o;
o = Activator.CreateInstance(typeof(List<int>));//OK
o = Activator.CreateInstance(typeof(List<>));//抛出ArgumentException，因为含有泛型参数

泛型最常用的地方是集合类。微软建议使用泛型集合，不建议使用非泛型集合，除了上文中提到的类型安全、性能高之外，泛型集合类中的虚方法更少，从而进一步提高执行性能；另外，泛型集合一般拥有更多的扩展方法，使用更方便。

1.2 泛型的继承

1.2.1 泛型类型的继承

泛型类可以派生自一个泛型基类，但是，泛型子类必须重复泛型基类的泛型类型，或者必须指定基类的泛型类型。
例如，考察以下代码：

public class ChildGeneric : Generic<T>{} //编译失败
public class ChildGeneric<T> : Generic<T>{} //编译通过
public class ChildGeneric : Generic<int>{} //编译通过

1.2.2 泛型的类型参数的继承

考察两个泛型类型 List 和 List，其中 MyChildClass 派生自 MyBaseClass，那么 List 和 List 之间有什么关系吗？答案是没有关系。

因为 类型参数 的继承关系 不改变 泛型类型的 继承关系，或者说，泛型类型 破坏了 泛型类型参数的继承关系。

更具体一点，指定类型实参并不影响层次结构。List 派生自 Object，那么 List 和 List 都是从 Object 派生，二者是 “平辈” 的。指定类型实参只是在 JIT 时拿指定的类型替换 T，这两个 List 是两个不同的类。

由此引出另一个话题，即 逆变 和 协变，详见我的另一篇文章《C#与CLR学习笔记（6）—— 轻松理解协变与逆变》

2 泛型约束

2.1 编译器对泛型参数的验证

由于泛型参数 T 在定义时并未指定，因此，为了安全性，编译器会在编译时进行分析，确保代码适用于未来可能指定的任何泛型类型实参。
例如，考察如下代码：

private static T Min<T>(T o1, T o2)
{
    if (o1.CompareTo(o2) < 0)
        return o1;
    return o2;
}

上述代码编译失败，因为并非所有类型都实现了 IComparable 接口，因此 CompareTo()方法有无法执行的风险。

所以从表面上看，使用泛型似乎做不了太多事情，只能使用 Object 中定义的方法。显然，实际情况并不是这样，因为有 泛型约束 机制，它使得泛型变得有用。

上面的案例改进一下，就可以顺利编译：

private static T Min<T>(T o1, T o2) where T : IComparable<T>
{
    if (o1.CompareTo(o2) < 0)
        return o1;
    return o2;
}

约束 可应用于 泛型类型 或 泛型方法 。如果 基类 或者 被重写/实现的方法 拥有泛型约束，那么子类或其方法必须应用同样的泛型约束。
例如：

public class Generic<T> where T : struct
{}
public class ChildGeneric<T> : Generic<T> //编译失败
{}
public class ChildGeneric<T> : Generic<T> where T : struct //编译通过
{}


public interface IGeneric2
{
     string GetTInfo<T>() where T : struct;
}
class ChildGeneric : IGeneric2
{
     public string GetTInfo<T>() where T : class //编译失败
     {
          return "";
     }
}
class ChildGeneric : IGeneric2
{
     public string GetTInfo<T>() where T : struct//编译通过
     {
          return "";
     }
}

2.2 泛型约束的类型

分类	形式	含义
主要约束 (最多指定一个)	where T : struct	T 必须是值类型 （Nullable除外，详见参考文献）
	where T : class	T 必须是引用类型
	where T : Foo	T 必须派生自 Foo 类
次要约束 (可以指定多个)	where T : IFoo	T 必须实现 IFoo 接口
	where T1 : T2	T1 派生自 泛型类型 T2
构造器约束	where T : new()	T 是拥有公共无参构造函数的非抽象类

2.3 其他验证问题

（1）类型转换问题

泛型参数进行类型转换，要保证符合约束。尽量使用 as 进行转换。

public void DoSomething<T>(T obj)
{
    int x = (int)obj; //编译错误
    int x = (int)（Object）obj; //编译通过，但运行时可能抛 InvalidCastException
    stirng x = obj as string; //推荐
}

（2）将泛型类型转为默认值

推荐使用 default 关键字。

public void DoSomething<T>()
{
    T temp = null; //编译错误，除非指定 T : class
    T temp = default(T); //推荐
}

（3）两个泛型参数对比

需指定泛型约束。

public void DoSomething<T>(T o1, T o2)
{
    if (o1 == o2){} //编译失败，因为若 T 是值类型，那么可能没有重载 == 运算符。
}

（4）不能将泛型约束为具体的值类型，一是因为值类型是隐式密封的，无法被继承；二是因为这种情况使用泛型就没有意义。

参考文献

[1] 《CLR via C#》 第四版