分析 C# 2.0 新特性 -- 范型（Generics)

分析 C# 2.0 新特性 -- 范型（Generics)
作者：梁振[MS-MVP]
 
范型是提高面向对象程序多态性设计衍生的。
１，C# 多态性设计回顾和展望
在引入范型这个概念之前，回顾一下1.0或1.1中关于的Object类型的定义：
Object类型是.NET Framework中System.Object的一个别名，可以分配任何类型给Object类型的变量。
通过object类型的引入，实现了.NET对于面向对象程序多态设计。
因为Object本身是一个引用类型，是存放在Heap(堆）上的。对于其他引用类型和Object转换很容易实现。
而值类型和Object类型转换需要引入两个用于object类型和值类型转换概念boxing和unboxing.
(1)boxing 装包
  将转换一个值类型到Object类型，
  例如：int i = 1;            //存储在栈上
        object o = (object) i;//存储在堆上
  上面的代码在IL中将会是box [mscorlib]System.Int32
　将Int32和1同时装入一个Object对象中，结构如下：
　object[{Int32}-{1}];//前者表示boxing类型，后者表示其值
(2)unboxing 拆包
　将一个已装包为Obect类型的值类型转换回值类型
　操作分为两部分组成：
　a,首先检查是否转换回的类型是装包的类型，如果不是抛出一个InvalidCastException运行时错误．
　b,复制Object类型中的值到目标值类型变量；
　例如：
　　　int i = 1;
      object o = (object) i; //boxing
      int j = (int)o         //unboxing
      //double d = (double)o ,出现运行时错误
　
通过上面的可以看到在.NET Framework 1.0 中使用object对象设计的多态性比C++的template(一种基于类似宏的编
译时替换)执行效率增加了大量的copy的开销。所以在.NET Framewrok 2.0中引入范型来提高高面向对象程序多态性
设计。

２，范型概念和特点：
范型的设计是为了解决上面提到过的Object的多态性设计中的两个问题：
(1)，性能上面的，boxing和unboxing需要大量的复制开销；
(2)，安全性上面的，在上面一个例子看到了如果unboxing类型不同会抛出一个InvalidCastException异常;
范型的设计格式是使用<和>封闭其中一个范型参数，例如：
public class Stack;
范型的实例化格式是使用需要使用的类型替换<和>封闭其中一个范型参数,例如：
Stack char_Stack = new Stack();
多范型类定义格式，在<和>封闭多个范型参数，例如：
class Node
对于C++程序员，看上面关于范型的格式很快联系到了ISO C++当中的Template;
的确两者语法上面非常相似，但是两者的多态性编译和实现有很大不同．
在C++的Template编译后，没有编译带有Template的代码．而是通过一种宏的方式进行的替换过程．
每次使用Template类型，编译器都会生成一个对应的类型代码．而不管是否个类型代码已经使用过了．
在C#2.0中范型是在中间语言(IL)和公共语言运行时(CLR)支持的．
对于值类型：会在JIT编译时候替换参数类型，如果存在以及编译特定类型的机器代码，将直接返回这段代码．
这样避免了在ISO C++中Template可能带来代码膨胀．
对于引用类型：会直接在JIT编译时候替换参数类型．
理解C# 2.0范型是在实现是基于CLR支持的很重要啊，因为.NET的本质是和语言无关的．任何语言最后都是编译为中
间语言，这样基于IL和CLR支持的范型可以运用到所有基于CLR实现的语言，例如：Visual Basic 2005等等．
３，范型和其他类型执行效率对比例子
下面分别是使用Int,Object和范型构造的３个栈的类
 /// 

 /// Int类型实现的栈
 /// 

 class IntStack
 {
  private int[] data;
  private int current;
  private int length;
  public IntStack(int Length)
  {
   length = Length;
   current = 0;
   data = new int[length];
  }
  public int Top()
  {
   return data[current - 1];
  }
  public void Push(int Data)
  {
   if (current < length)
   {
    data[current++] = Data;
   }
  }
  public void Pop()
  {
   if (current > 0)
   {
    current--;
   }
  }
 }
 /// 

 /// 范型的栈
 /// 

 /// 范型
 class TemplateStack
 {
  private int length;
  private int current;
  private T[] data;
  public TemplateStack(int Length)
  {
   current = 0;
   length = Length;
   data = new T[length];
  }
  public T Top()
  {
   return data[current - 1];
  }
  public void Push(T Data)
  {
   if (current < length)
   {
    data[current++] = Data;
   }
  }
  public void Pop()
  {
   if (current > 0)
   {
    current--;
   }
  }
 }
 /// 

 /// Object的栈
 /// 

 class ObjectStack
 {
  private object[] data;
  private int current;
  private int length;
  public ObjectStack(int Length)
  {
   length = Length;
   current = 0;
   data = new object[length];
  }
  public object Top()
  {
   return data[current-1];
  }
  public void Push(object Data)
  {
   if (current < length)
   {
    data[current++] = Data;
   }
  }
  public void Pop()
  {
   if (current > 0)
   {
    current--;
   }
  }
 }
通过测试直接使用Int的栈和范型构造Int栈的开销接近．
而比较前面两个Object每增加一次unboxig开销是增加的2倍．

４，附录.NET 2.0 Framework 范型容器列表：
Comparer 　　　　　Comparer  　比较
Dictionary  　　 HashTable 　hash表
LinkedList         LinkList  　链表
List               ArrayList 　数组链表
Queue              Queue 　　　队列
SortedDictionary SortedList　排序链表
Stack              Stack 　　　栈
ICollection  ICollection 　　　容器接口
IComparable  System.IComparable比较接口
IDictionary  IDictionary  　 字典接口
IEnumerable  IEnumerable 　　　枚举接口
IEnumerator  IEnumerator 　　　跌代接口
IList  IList 　　　　　　　　　链表接口
 
参考资料：
《Design and Implementation of Generics for the .NET Common Language Runtime》 
  ---Andrew Kennedy Don Syme (Microsoft Research, Cambridge, U.K.)
《An Introduction to C# Generics》
  ---Juval Lowy IDesign (MSDN Online)
《C# Programmer's Reference》
  ---MSDN Library  (MSDN Online)