一.泛型之前的故事#
我们肯定会想到用object来作为类型参数，因为在C#中，所有类型都是基于Object类型的。因此Object是所有类型的最基类，那么我们的可扩容数组类如下：
Copy
public class ArrayExpandable
{
private object?[] _items = null;
private int _defaultCapacity = 4;
private int _size;
public object? this[int index]
{
get
{
if (index < 0 || index >= _size)
throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));
return _items[index];
}
set
{
if (index < 0 || index >= _size)
throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));
_items[index] = value;
}
}
public int Capacity
{
get => _items.Length;
set
{
if (value < _size)
{
throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(value));
}
if (value != _items.Length)
{
if (value > 0)
{
object[] newItems = new object[value];
if (_size > 0)
{
Array.Copy(_items, newItems, _size);
}
_items = newItems;
}
else
{
_items = new object[_defaultCapacity];
}
}
}
}
public int Count => _size;
public ArrayExpandable()
{
_items = new object?[0];
}
public ArrayExpandable(int capacity)
{
_items = new object?[capacity];
}
public void Add(object? value)
{
//数组元素为0或者数组元素容量满
if (_size == _items.Length) EnsuresCapacity(_size + 1);
_items[_size] = value;
_size++;
}
private void EnsuresCapacity(int size)
{
if (_items.Length < size)
{
int newCapacity = _items.Length == 0 ? _defaultCapacity : _items.Length * 2;
if (newCapacity < size) newCapacity = size;
Capacity = newCapacity;
}
}
然后我们来验证下：
Copy
var arrayStr = new ArrayExpandable();
var strs = new string[] { "ryzen", "reed", "wymen" };
for (int i = 0; i < strs.Length; i++)
{
arrayStr.Add(strs[i]);
string value = (string)arrayStr[i];//改为int value = (int)arrayStr[i] 运行时报错
Console.WriteLine(value);
}
Console.WriteLine($"Now {nameof(arrayStr)} Capacity:{arrayStr.Capacity}");
var array = new ArrayExpandable();
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
array.Add(i);
int value = (int)array[i];
Console.WriteLine(value);
}
Console.WriteLine($"Now {nameof(array)} Capacity:{array.Capacity}");
输出：
Copy
ryzen
reed
wymen
gavin
Now arrayStr Capacity:4
0
1
2
3
4
Now array Capacity:8
貌似输出结果是正确的，能够动态进行扩容，同样的支持值类型Struct的int32和引用类型的字符串，但是其实这里会发现一些问题，那就是
引用类型string进行了类型转换的验证
值类型int32进行了装箱和拆箱操作，同时进行类型转换类型的检验
发生的这一切都是在运行时的，假如类型转换错误，得在运行时才能报错
大致执行模型如下：
引用类型:
值类型:
那么有没有一种方法能够避免上面遇到的三种问题呢？在借鉴了cpp的模板和java的泛型经验，在C#2.0的时候推出了更适合.NET体系下的泛型
二.用泛型实现#
Copy
public class ArrayExpandable
{
private T[] _items;
private int _defaultCapacity = 4;
private int _size;
public T this[int index]
{
get
{
if (index < 0 || index >= _size)
throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));
return _items[index];
}
set
{
if (index < 0 || index >= _size)
throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));
_items[index] = value;
}
}
public int Capacity
{
get => _items.Length;
set
{
if (value < _size)
{
throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(value));
}
if (value != _items.Length)
{
if (value > 0)
{
T[] newItems = new T[value];
if (_size > 0)
{
Array.Copy(_items, newItems, _size);
}
_items = newItems;
}
else
{
_items = new T[_defaultCapacity];
}
}
}
}
public int Count => _size;
public ArrayExpandable()
{
_items = new T[0];
}
public ArrayExpandable(int capacity)
{
_items = new T[capacity];
}
public void Add(T value)
{
//数组元素为0或者数组元素容量满
if (_size == _items.Length) EnsuresCapacity(_size + 1);
_items[_size] = value;
_size++;
}
private void EnsuresCapacity(int size)
{
if (_items.Length < size)
{
int newCapacity = _items.Length == 0 ? _defaultCapacity : _items.Length * 2;
if (newCapacity < size) newCapacity = size;
Capacity = newCapacity;
}
}
}
那么测试代码则改写为如下：
Copy
var arrayStr = new ArrayExpandable
var strs = new string[] { "ryzen", "reed", "wymen", "gavin" };
for (int i = 0; i < strs.Length; i++)
{
arrayStr.Add(strs[i]);
string value = arrayStr[i];//改为int value = arrayStr[i] 编译报错
Console.WriteLine(value);
}
Console.WriteLine($"Now {nameof(arrayStr)} Capacity:{arrayStr.Capacity}");
var array = new ArrayExpandable
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
array.Add(i);
int value = array[i];
Console.WriteLine(value);
}
Console.WriteLine($"Now {nameof(array)} Capacity:{array.Capacity}");
输出：
Copy
ryzen
reed
wymen
gavin
Now arrayStr Capacity:4
0
1
2
3
4
Now array Capacity:8
我们通过截取部分ArrayExpandable
Copy
//声明类
.class public auto ansi beforefieldinit MetaTest.ArrayExpandable`1
extends [System.Runtime]System.Object
{
.custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.DefaultMemberAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 04 49 74 65 6D 00 00 )
}
//Add方法
.method public hidebysig instance void Add(!T 'value') cil managed
{
// 代码大小 69 (0x45)
.maxstack 3
.locals init (bool V_0)
IL_0000: nop
IL_0001: ldarg.0
IL_0002: ldfld int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1::_size
IL_0007: ldarg.0
IL_0008: ldfld !0[] class MetaTest.ArrayExpandable`1::_items
IL_000d: ldlen
IL_000e: conv.i4
IL_000f: ceq
IL_0011: stloc.0
IL_0012: ldloc.0
IL_0013: brfalse.s IL_0024
IL_0015: ldarg.0
IL_0016: ldarg.0
IL_0017: ldfld int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1::_size
IL_001c: ldc.i4.1
IL_001d: add
IL_001e: call instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1::EnsuresCapacity(int32)
IL_0023: nop
IL_0024: ldarg.0
IL_0025: ldfld !0[] class MetaTest.ArrayExpandable`1::_items
IL_002a: ldarg.0
IL_002b: ldfld int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1::_size
IL_0030: ldarg.1
IL_0031: stelem !T
IL_0036: ldarg.0
IL_0037: ldarg.0
IL_0038: ldfld int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1::_size
IL_003d: ldc.i4.1
IL_003e: add
IL_003f: stfld int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1::_size
IL_0044: ret
} // end of method ArrayExpandable`1::Add
原来定义的时候就是用了个T作为占位符，起一个模板的作用，我们对其实例化类型参数的时候，补足那个占位符，我们可以在编译期就知道了其类型，且不用在运行时进行类型检测，而我们也可以对比ArrayExpandable和ArrayExpandable
ArrayExpandable:
Copy
IL_0084: newobj instance void GenericSample.ArrayExpandable::.ctor()
IL_0089: stloc.2
IL_008a: ldc.i4.0
IL_008b: stloc.s V_6
IL_008d: br.s IL_00bc
IL_008f: nop
IL_0090: ldloc.2
IL_0091: ldloc.s V_6
IL_0093: box [System.Runtime]System.Int32 //box为装箱操作
IL_0098: callvirt instance void GenericSample.ArrayExpandable::Add(object)
IL_009d: nop
IL_009e: ldloc.2
IL_009f: ldloc.s V_6
IL_00a1: callvirt instance object GenericSample.ArrayExpandable::get_Item(int32)
IL_00a6: unbox.any [System.Runtime]System.Int32 //unbox为拆箱操作
ArrayExpandable:
Copy
IL_007f: newobj instance void class GenericSample.ArrayExpandable`1
IL_0084: stloc.2
IL_0085: ldc.i4.0
IL_0086: stloc.s V_6
IL_0088: br.s IL_00ad
IL_008a: nop
IL_008b: ldloc.2
IL_008c: ldloc.s V_6
IL_008e: callvirt instance void class GenericSample.ArrayExpandable`1
IL_0093: nop
IL_0094: ldloc.2
IL_0095: ldloc.s V_6
IL_0097: callvirt instance !0 class GenericSample.ArrayExpandable`1
我们从IL也能看的出来，ArrayExpandable
其实有了解ArrayList和List的朋友就知道，ArrayExpandable和ArrayExpandable
Copy
[SimpleJob(RuntimeMoniker.NetCoreApp31,baseline:true)]
[SimpleJob(RuntimeMoniker.NetCoreApp50)]
[MemoryDiagnoser]
public class TestClass
{
[Benchmark]
public void EnumAE_ValueType()
{
ArrayExpandable array = new ArrayExpandable();
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add(i);//装箱
int value = (int)array[i];//拆箱
}
array = null;//确保进行垃圾回收
}
[Benchmark]
public void EnumAE_RefType()
{
ArrayExpandable array = new ArrayExpandable();
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add("r");
string value = (string)array[i];
}
array = null;//确保进行垃圾回收
}
[Benchmark]
public void EnumAE_Gen_ValueType()
{
ArrayExpandable
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add(i);
int value = array[i];
}
array = null;//确保进行垃圾回收;
}
[Benchmark]
public void EnumAE_Gen_RefType()
{
ArrayExpandable
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add("r");
string value = array[i];
}
array = null;//确保进行垃圾回收;
}
[Benchmark]
public void EnumList_ValueType()
{
List
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add(i);
int value = array[i];
}
array = null;//确保进行垃圾回收;
}
[Benchmark]
public void EnumList_RefType()
{
List
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add("r");
string value = array[i];
}
array = null;//确保进行垃圾回收;
}
[Benchmark(Baseline =true)]
public void EnumAraayList_valueType()
{
ArrayList array = new ArrayList();
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add(i);
int value = (int)array[i];
}
array = null;//确保进行垃圾回收;
}
[Benchmark]
public void EnumAraayList_RefType()
{
ArrayList array = new ArrayList();
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add("r");
string value = (string)array[i];
}
array = null;//确保进行垃圾回收;
}
}
我还加入了.NETCore3.1和.NET5的对比,且以.NETCore3.1的EnumAraayList_valueType方法为基准，性能测试结果如下：
用更直观的柱形图来呈现：
我们能看到在这里List的性能在引用类型和值类型中都是所以当中是最好的，不管是执行时间、GC次数，分配的内存空间大小，都是最优的，同时.NET5在几乎所有的方法中性能都是优于.NETCore3.1,这里还提一句，我实现的ArrayExpandable和ArrayExpandable
三.泛型的多态性#
多态的声明#
类、结构、接口、方法、和委托可以声明一个或者多个类型参数,我们直接看代码:
Copy
interface IFoo
{
void InterfaceMenthod(InterfaceT interfaceT);
}
class Foo
{
public ClassT1 Field;
public delegate void MyDelegate
public void DelegateMenthod
{
myDelegate(delegateT);
}
public static string operator +(Foo
{
return $"{s}:{foo.GetType().Name}";
}
public List
public ClassT1 Property1 { get; set; }
public ClassT this[int index] => Property[index];//没判断越界
public Foo(List
{
Property = classT;
Property1 = classT1;
Field = classT1;
Console.WriteLine($"构造函数:parameter1 type:{Property.GetType().Name}，parameter2 type:{Property1.GetType().Name}");
}
//方法声明了多个新的类型参数
public void Method
{
Console.WriteLine($"Method
$"{menthodT1.GetType().Name}:{menthodT1.ToString()}");
}
public void Method(ClassT classT)
{
Console.WriteLine($"{nameof(Method)}:{classT.GetType().Name}:classT?.ToString()");
}
public void InterfaceMenthod(StringBuilder interfaceT)
{
Console.WriteLine(interfaceT.ToString());
}
}
控制台测试代码:
Copy
static void Main(string[] args)
{
Test();
Console.ReadLine();
}
static void Test()
{
var list = new List
var foo = new Foo
var index = 0;
Console.WriteLine($"索引：索引{index}的值:{foo[index]}");
Console.WriteLine($"Filed:{foo.Field}");
foo.Method(2333);
foo.Method
foo.DelegateMenthod
foo.InterfaceMenthod(new StringBuilder().Append("InterfaceMenthod:this is a interfaceMthod"));
Console.WriteLine(foo+"重载+运算符");
}
static void DelegateMenthod(string str)
{
Console.WriteLine($"{nameof(DelegateMenthod)}:{str}");
}
输出如下:
Copy
构造函数:parameter1 type:List`1，parameter2 type:String
索引：索引0的值:1
Filed:ryzen
Method:Int32:classT?.ToString()
Method
DelegateMenthod:this is a delegate
InterfaceMenthod:this is a interfaceMthod
重载+运算符:Foo`2
我们通过例子可以看到的是：
类(结构也可以)，接口，委托，方法都可以声明一个或多个类型参数，体现了声明的多态性
类的函数成员：属性，字段，索引，构造器，运算符只能引入类声明的类型参数，不能够声明，唯有方法这一函数成员具备声明和引用类型参数两种功能，由于具备声明功能，因此可以声明和委托一样的类型参数并且引用它，这也体现了方法的多态性
多态的继承#
父类和实现类或接口的接口都可以是实例化类型，直接看代码：
Copy
interface IFooBase
interface IFoo
{
void InterfaceMenthod(InterfaceT interfaceT);
}
class FooBase
{
}
class Foo
我们可以通过例子看出：
由于Foo的基类FooBase定义的和Foo有着共享的类型参数ClassT，因此可以在继承的时候不实例化类型
而Foo和IFoo接口没定义相同的类型参数，因此可以在继承的时候实例化出接口的类型参数StringBuild出来
IFoo和IFooBase没定义相同的类型参数，因此可以在继承的时候实例化出接口的类型参数string出来
上述都体现出继承的多态性
多态的递归#
我们定义如下一个类和一个方法，且不会报错:
Copy
class D
class C
{
void Foo()
{
var foo = new C
Console.WriteLine(foo.ToString());
}
}
因为T能在实例化的时候确定其类型，因此也支持这种循环套用自己的类和方法的定义
四.泛型的约束#
where的约束#
我们先上代码:
Copy
class FooBase{ }
class Foo : FooBase
{
}
class someClass
{
}
static void TestConstraint()
{
var someClass = new someClass
//var someClass = new someClass
//var someClass = new someClass
}
再改动下Foo类:
Copy
class Foo : FooBase
{
public Foo(string str)
{
}
}
static void TestConstraint()
{
var someClass = new someClass
}
我们可以看到，通过where语句，可以对类型参数进行约束，而且一个类型参数支持多个约束条件(例如K)，使其在实例化类型参数的时候，必须按照约束的条件对应实例符合条件的类型，而where条件约束的作用就是起在编译期约束类型参数的作用
out和in的约束#
说到out和in之前，我们可以说下协变和逆变，在C#中，只有泛型接口和泛型委托可以支持协变和逆变
协变#
我们先看下代码：
Copy
class FooBase{ }
class Foo : FooBase
{
}
interface IBar
{
T GetValue(T t);
}
class Bar
{
public T GetValue(T t)
{
return t;
}
}
static void Test()
{
var foo = new Foo();
FooBase fooBase = foo;//编译成功
IBar
IBar
}
这时候你可能会有点奇怪，为啥那段代码会编译失败，明明Foo类可以隐式转为FooBase，但作为泛型接口类型参数实例化却并不能呢？使用out约束泛型接口IBar的T，那段代码就会编译正常，但是会引出另外一段编译报错：
Copy
interface IBar
{
T GetValue(string str);//编译成功
//T GetValue(T t);//编译失败 T不能作为形参输入，用out约束T支持协变，T可以作为返回值输出
}
IBar
IBar
因此我们可以得出以下结论：
由于Foo继承FooBase，本身子类Foo包含着父类允许访问的成员，因此能隐式转换父类，这是类型安全的转换，因此叫协变
在为泛型接口用out标识其类型参数支持协变后，约束其方法的返回值和属性的Get(本质也是个返回值的方法)才能引用所声明的类型参数，也就是作为输出值，用out很明显的突出了这一意思
而支持迭代的泛型接口IEnumerable也是这么定义的：
Copy
public interface IEnumerable
{
new IEnumerator
}
逆变#
我们将上面代码改下:
Copy
class FooBase{ }
class Foo : FooBase
{
}
interface IBar
{
T GetValue(T t);
}
class Bar
{
public T GetValue(T t)
{
return t;
}
}
static void Test1()
{
var fooBase = new FooBase();
Foo foo = (Foo)fooBase;//编译通过，运行时报错
IBar
IBar
}
我们再改动下IBar，发现出现另外一处编译失败
Copy
interface IBar
{
void GetValue(T t);//编译成功
//T GetValue(T t);//编译失败 T不能作为返回值输出，用in约束T支持逆变，T可以作为返回值输出
}
IBar
IBar
IBar
因此我们可以得出以下结论：
由于FooBase是Foo的父类，并不包含子类的自由的成员，转为为子类Foo是类型不安全的，因此在运行时强式转换的报错了，但编译期是不能够确认的
在为泛型接口用in标识其类型参数支持逆变后，in约束其接口成员不能将其作为返回值(输出值),我们会发现协变和逆变正是一对反义词
这里提一句，值类型是不支持协变和逆变的
同样的泛型委托Action就是个逆变的例子：
Copy
public delegate void Action
五.泛型的反射#
我们先来看看以下代码:
Copy
static void Main(string[] args)
{
var lsInt = new ArrayExpandable
lsInt.Add(1);
var lsStr = new ArrayExpandable
lsStr.Add("ryzen");
var lsStr1 = new ArrayExpandable
lsStr.Add("ryzen");
}
然后通过ildasm查看其IL，开启视图-》显示标记值，查看Main方法：
Copy
void Main(string[] args) cil managed
{
.entrypoint
// 代码大小 52 (0x34)
.maxstack 2
.locals /*11000001*/ init (class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/
class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/
class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/
IL_0000: nop
IL_0001: newobj instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/
IL_0006: stloc.0
IL_0007: ldloc.0
IL_0008: ldc.i4.1
IL_0009: callvirt instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/
IL_000e: nop
IL_000f: newobj instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/
IL_0014: stloc.1
IL_0015: ldloc.1
IL_0016: ldstr "ryzen" /* 70000001 */
IL_001b: callvirt instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/
IL_0020: nop
IL_0021: newobj instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/
IL_0026: stloc.2
IL_0027: ldloc.1
IL_0028: ldstr "ryzen" /* 70000001 */
IL_002d: callvirt instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/
IL_0032: nop
IL_0033: ret
} // end of method Program::Main
打开元数据表将上面所涉及到的元数据定义表和类型规格表列出：
metainfo:
Copy
-----------定义部分
TypeDef #2 (02000003)
-------------------------------------------------------
TypDefName: MetaTest.ArrayExpandable`1 (02000003)
Flags : [Public] [AutoLayout] [Class] [AnsiClass] [BeforeFieldInit] (00100001)
Extends : 0100000C [TypeRef] System.Object
1 Generic Parameters
(0) GenericParamToken : (2a000001) Name : T flags: 00000000 Owner: 02000003
Method #8 (0600000a)
-------------------------------------------------------
MethodName: Add (0600000A)
Flags : [Public] [HideBySig] [ReuseSlot] (00000086)
RVA : 0x000021f4
ImplFlags : [IL] [Managed] (00000000)
CallCnvntn: [DEFAULT]
hasThis
ReturnType: Void
1 Arguments
Argument #1: Var!0
1 Parameters
(1) ParamToken : (08000007) Name : value flags: [none] (00000000)
------类型规格部分
TypeSpec #1 (1b000001)
-------------------------------------------------------
TypeSpec : GenericInst Class MetaTest.ArrayExpandable`1< I4> //14代表int32
MemberRef #1 (0a00000c)
-------------------------------------------------------
Member: (0a00000c) .ctor:
CallCnvntn: [DEFAULT]
hasThis
ReturnType: Void
No arguments.
MemberRef #2 (0a00000d)
-------------------------------------------------------
Member: (0a00000d) Add:
CallCnvntn: [DEFAULT]
hasThis
ReturnType: Void
1 Arguments
Argument #1: Var!0
TypeSpec #2 (1b000002)
-------------------------------------------------------
TypeSpec : GenericInst Class MetaTest.ArrayExpandable`1< String>
MemberRef #1 (0a00000e)
-------------------------------------------------------
Member: (0a00000e) .ctor:
CallCnvntn: [DEFAULT]
hasThis
ReturnType: Void
No arguments.
MemberRef #2 (0a00000f)
-------------------------------------------------------
Member: (0a00000f) Add:
CallCnvntn: [DEFAULT]
hasThis
ReturnType: Void
1 Arguments
Argument #1: Var!0
这时候我们就可以看出，元数据为泛型类ArrayExpandable
Copy
var lsInt = new ArrayExpandable
lsInt.Add(1);//引用的是类型规格1b000001的成员0a00000d Add
var lsStr = new ArrayExpandable
lsStr.Add("ryzen");//引用的是类型规格1b000002的成员0a00000f Add
var lsStr1 = new ArrayExpandable
lsStr.Add("ryzen");//和lsStr一样
非常妙的是，当你实例化两个一样的类型参数string，是共享一份类型规格的，也就是同享一份本地代码，因此上面的代码在线程堆栈和托管堆的大致是这样的:
由于泛型也有元数据的存在，因此可以对其做反射：
Copy
Console.WriteLine($"-----------{nameof(lsInt)}---------------");
Console.WriteLine($"{nameof(lsInt)} is generic?:{lsInt.GetType().IsGenericType}");
Console.WriteLine($"Generic type:{lsInt.GetType().GetGenericArguments()[0].Name}");
Console.WriteLine("---------Menthods:");
foreach (var method in lsInt.GetType().GetMethods())
{
Console.WriteLine(method.Name);
}
Console.WriteLine("---------Properties:");
foreach (var property in lsInt.GetType().GetProperties())
{
Console.WriteLine($"{property.PropertyType.ToString()}:{property.Name}");
}
Console.WriteLine($"\n-----------{nameof(lsStr)}---------------");
Console.WriteLine($"{nameof(lsStr)} is generic?:{lsStr.GetType().IsGenericType}");
Console.WriteLine($"Generic type:{lsStr.GetType().GetGenericArguments()[0].Name}");
Console.WriteLine("---------Menthods:");
foreach (var method in lsStr.GetType().GetMethods())
{
Console.WriteLine(method.Name);
}
Console.WriteLine("---------Properties:");
foreach (var property in lsStr.GetType().GetProperties())
{
Console.WriteLine($"{property.PropertyType.ToString()}:{property.Name}");
}
输出:
Copy
-----------lsInt---------------
lsInt is generic?:True
Generic type:Int32
---------Menthods:
get_Item
set_Item
get_Capacity
set_Capacity
get_Count
Add
GetType
ToString
Equals
GetHashCode
---------Properties:
System.Int32:Item
System.Int32:Capacity
System.Int32:Count
-----------lsStr---------------
lsStr is generic?:True
Generic type:String
---------Menthods:
get_Item
set_Item
get_Capacity
set_Capacity
get_Count
Add
GetType
ToString
Equals
GetHashCode
---------Properties:
System.String:Item
System.Int32:Capacity
System.Int32:Count
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