c#基础编程—泛型

一、引言

泛型的主要思想是将算法与数据结构完全分离开，使得一次定义的算法能作用于多种数据结构，从而实现高度可重用的开发。泛型，通过参数类型化来实现在同一份代码中操作多种数据类型，利用“参数化类型”将类型抽象化，从而实现更为灵活的运用。c#的泛型起源于c++的模板函数，当然在c#中进行升级。在c#中泛型实在编译时模板机制，c++是在运行时模板机制。其中泛型通过T来通知CLR在编译中利用特殊占位符表明此时在操作泛型操作，产生IL指令。

二、泛型的编译机制

在.net Framewrok 2.0 中，泛型在IL和CLR本身中具有本机支持。在编译泛型c#代码时，像其他任何类型一样，首先编译器会将其编译为IL，但是，IL只包含实际特定类型的参数或占位符，并有专用的IL指令支持泛型操作。泛型代码的元数据中包含泛型信息。真正的泛型实例化工作是以“on-demand”的方式，发生在JIT编译时。当进行JIT编译时，JIT编译器用指定的类型实参来替换泛型IL代码元数据中的T，进行泛型类型的实例化。
在第一轮编译时
第一轮编译时，编译器只为Stack(栈算法)类型产生“泛型版”的IL代码与元数据—–并不进行泛型类型的实例化，T在中间只充当占位符。JIT编译时，当JIT编译器第一次遇到Stack《T》时，将用int替换“泛型版”IL代码与元数据中的T—进行泛型类型的实例化。
CLR为所有类型参数为“引用类型”的泛型类型产生同一份代码；但如果类型参数为“值类型”，对每一个不同的“值类型”，CLR将为其产生一份独立的代码。

三、泛型约束

在泛型中应用最广的就是依据泛型约束进行拓展。C#的泛型采用“基类，接口，构造器，值类型/引用类型”的约束方式来实现对类型能数的“显式约束”，提高了类型安全的同时，也丧失了C++模板基于“签名”的隐式约束所具有的高灵活性。C#泛型要求对“所有泛型类型或泛型方法的类型参数”的任何假定，都要基于“显式的约束”，以维护C#所要求的类型安全。
在泛型应用中，要尽量显示制定约束条件，当没有显示约束时，讲默认泛型类型集成于Object。在进行泛型约束后，在对泛型类操作时可以直接操作，很是方便，有点继承的感觉。
例如：　
where T : struct 类型必须是一种值类型(struct)
where T : class 类型必须是一种引用类型(class)
where T : new() 类型必须有一个无参数的构造器
where T : class_name 类型可以是class_name或者是它的一个子类
where T : interface_name 类型必须实现指定的接口
- 1、基类约束

 class Stack1 
    {
         private string name;

        public  Stack1()
        {
        }
        public void Func1()
        {
        }
    }
    class Statck2
    {
        public Statck2()
        { }
        public void Func2(){}
    }
    //显示告诉Statck3中T的泛型类型继承与Statck1,V来自Statck2
    class Statck3<T,V> where T:Stack1 where V:Statck2
    {
        public Statck3(T t,V v)
        {
            //此处实例化了，所以t只能调用statck1的方法
            t.Func1();
            v.Func2();
        }
    }
 class Statck4<T> where T :new()       
    {
        T t;
        public Statck4( )
        {
            //此处没有指明T来源于哪，默认来源于object，所以不能调用func1了

           // t.Func1();
            //如果上面不显示new（），此处编译不通过
            t = new T();

        }
    }

基类约束有两个功能：
（1）它允许在泛型类中使用由约束指定的基类所定义的成员。例如，可以调用基类的方法或者使用基类的属性。如果没有基类约束，编译器就无法知道某个类型实参拥有哪些成员。通过提供基类约束，编译器将知道所有的类型实参都拥有由指定基类所定义的成员。
（2）确保类型实参支持指定的基类类型参数。这意味着对于任意给定的基类约束，类型实参必须要么是基类本身，要么是派生于该基类的类，如果试图使用没有继承指定基类的类型实参，就会导致编译错误。
- 2、接口约束：
接口约束用于指定某个类型参数必须应用的接口。接口的两个主要功能和基类约束完全一样。有点类似基类约束。
基本形式 where T:interface-name
interface-name是接口的名称，可以通过使用由逗号分割的列表来同时指定多个接口。如果某个约束同时包含基类和接口，则先指定基类列表，再指定接口列表。

 interface IA<T> {
        T Func1();
    }
    interface IB {
        void Func2();
    }
    interface IC<T> {
        T Func3();
    }
    class MyClass<T, V> where T : IA<T> where V : IB, IC<V> {
        public MyClass(T t, V v)
        {
            //T的对象可以调用Func1
            t.Func1();
            //V的对象可以调用Func2和Func3
            v.Func2();
            v.Func3();
        }
    }

• 3、值类型和引用类型约束：
  如果引用类型和值类型之间的差别对于泛型代码非常重要，那么这些约束就非常有用。 基本形式： where T : class where T : struct 若同时存在其他约束的情况下，class或struct必须位于列表的开头。另外可以通过 使用约束来建立两个类型参数之间的关系 例如 class Generic Class2《T, V》 where V:T{} ——– 要求V必须继承于T，这种称为裸类型约束（naked type constraint）。

    //值类型和引用类型约束
    public struct A { }
    public class B { }

   public class C<T> where T : struct
    {

   }
class D
    {
        public void Func()
        {           
            C<A> c1 = new C<A>();
            //C<B> c2 = new C<B>();//error
        }
    }

四、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<\ 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。

五、综述

泛型使代码可以重用，类型和内部数据可以在不导致代码膨胀的情况下进行更改，而不管是值类型还是引用类型。可以一次性地开发、测试和部署代码，通过任何类型（包括将来的类型）来重用它，并且全部具有编译器支持和类型安全。因为泛型代码不会强行对值类型进行装箱和取消装箱，或者对引用类型进行向下强制类型转换，所以性能得到显著提高。对于值类型，性能通常会提高200%；对于引用类型，在访问该类型时，也可以达到预期性。