C#模板编程(1):有了泛型，为什么还需要模板？

C#泛型编程已经深入人心了。为什么又提出C#模板编程呢？因为C#泛型存在一些局限性，突破这些局限性，需要使用C#方式的模板编程。由于C#语法、编译器、IDE限制，C#模板编程没有C++模板编程使用方便，但是，仍然可以解决一些问题。

 

下面先看C#泛型编程的两个限制：

（1）类型约束问题。

C#泛型的类型约束是个很严重的问题。

假设需要写一个泛型方法，这个方法有2个参数，然后方法返回结果是这两个参数的和。

这样的泛型方法无法直接实现。因为Byte,Int32等等并没有公共接口。

没有公共接口，但又想借助泛型来节省代码，减少维护量。怎么办呢？

我之前写过2篇博客《实现.net下的动态代理》、《实现.net下的动态代理(续)-多对象Mixin》，通过Ducking Typing来实现，但这种实现方式不自然，且性能低下，只适合对性能不敏感的场景。

（2）泛型指针问题。

泛型程序中无法使用泛型指针，因为编译器编译时无法知道具体类型的Size，这对写unsafe代码是很大的限制。

 

因此，我们需要C#模板编程。C#模板编程说起来很简单，它借助的是C#的一个语法——Using T0=T1。它没有C++那么自然，因为它缺乏C/C++源文件的Include机制。你可以将整块的文件在不同的类之间进行复制和粘帖。虽然复制和粘帖是一大邪恶，但总比复制/粘帖/替换要好很多。

下面是C#模板编程的一个重要应用——图像处理的空间线性滤波。关于空间线性滤波可参见各种图像处理的书，这里不做介绍。

我们假定图像是一个泛型类Image<T0>，这里T代表每一个像素的存储类型。可以是Byte，Short，Int32，Int64，Single，Double等。然后，核是一个泛型类，Kernel<T1>，这里还有第三个泛型类，就是用于存放中间数据的Image<T2>。为什么需要T2呢？假如T0是Byte，T1是带有Scale的Int32（如，Scale=9，每个元素值=1的3*3矩阵），计算的中间结果会超出Byte的最大值，需要一个不同类型缓存来存储这个中间数据。

只用泛型的话，解决不了这个问题。第一点，Byte，Short，Int32，Int64，Single，Double之间未实现共同接口；第二点，为提升性能，Image<T>采用非托管内存实现，使用指针进行操作，而泛型中无法使用泛型指针。

使用C#模板可以解决这个问题——代码照旧，只是在头部写下：Using T0=XXX;Using T1=XXX;Using T2=XXX；即可。

由于欠缺源代码的Include机制，当要编写新的滤波器时，需要把相同的代码复制过去，然后更改头部的Using ……。但无论如何，这样使用，还是比在代码中直接写明类型，然后复制、粘帖、替换新类型的可读性以及可维护性要好。

如果.Net允许源代码的Include，C#的模板编程将变得更为流畅（比起C++还是欠缺很多）。不知道等后续.Net版本开放编译服务之后，会不会有更优雅的写法。

下面是我随便写下的一段对图像进行空间线性滤波的代码（不要看具体算法，具体算法是极端错误的，且不完整的，只用看看编码风格就行了，写这段代码只为验证这种编程模式的优点和缺点）：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

using T = System.Byte;
using CacheT = System.Int32;
using K = System.Int32;

namespace Orc.SmartImage.UnmanagedImage
{
    public static class FilterHelper
    {
        public unsafe static UnmanagedImage<T> Filter(this UnmanagedImage<T> src, FilterKernel<K> filter)
        {
            K* kernel = stackalloc K[filter.Length];

            Int32 srcWidth = src.Width;
            Int32 srcHeight = src.Height;
            Int32 kWidth = filter.Width;
            Int32 kHeight = filter.Height;

            T* start = (T*) src.StartIntPtr;
            T* lineStart = start;
            T* pStart = start;
            T* pTemStart = pStart;
            T* pT;
            Int32* pK;

            for (int c = 0; c < srcWidth; c++)
            {
                for (int r = 0; r < srcHeight; r++)
                {
                    pTemStart = pStart;
                    pK = kernel;

                    Int32 val = 0;
                    for (int kc = 0; kc < kWidth; kc++)
                    {
                        pT = pStart;
                        for (int kr = 0; kr < kHeight; kr++)
                        {
                            val += *pK * *pT;
                            pT++;
                            pK++;
                        }

                        pStart += srcWidth;
                    }

                    pStart = pTemStart;
                    pStart++;
                }

                lineStart += srcWidth;
                pStart = lineStart;
            }
            return null;
        }
    }
}

 

是不是很像模板编程呢？