一文搞定泛型，提高代碼復(fù)用率及程序的運(yùn)行性能
原創(chuàng)【51CTO.com原創(chuàng)稿件】泛型是程序設(shè)計(jì)語言的一種風(fēng)格，允許程序員在強(qiáng)類型程序設(shè)計(jì)語言中編寫代碼時(shí)使用一些以后才指定的類型，在實(shí)例化時(shí)作為參數(shù)指明這些類型。泛型在 .NET 中應(yīng)用尤其廣泛，泛型是在 .NET 2.0 CLR 中的增加的一項(xiàng)新功能，類似于 C++ 的模板但不如 C++ 的模板靈活，不過也有一些自己的特性。泛型為 .NET 引入了類型參數(shù)的概念，這樣便可以把指定類型的工作推遲到客戶端代碼聲明并實(shí)例化類或方法的時(shí)候執(zhí)行。下面我們就來講解一下泛型的知識。
一、當(dāng) C# 沒有泛型
在 .NET 2.0 以前沒有泛型的時(shí)候，開發(fā)人員一直在使用 System.Collections.Stack 類，它是一個(gè)棧類型的集合對象。 Stack 通過 Push 和 Pop 方法向集合中添加和刪除數(shù)據(jù)。很多開發(fā)人員通過前面的描述都會認(rèn)為使用 Stack 很簡單，但是其中存在一個(gè)重大的缺陷。 Stack 類所保存的是 object 類型，這樣就導(dǎo)致了 CLR 無法驗(yàn)證 push 進(jìn)集合中的對象是不是想要的類型。
此外當(dāng)我們使用 Pop 方法時(shí)需要將它的返回值轉(zhuǎn)換為我們需要的類型，因此這里就存在一個(gè)問題，如果 Pop 方法的返回值不是我們需要的類型那么就有很大可能引發(fā)異常。這里的返回值轉(zhuǎn)換使用的是強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，由于使用了強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換將類型檢查放在了運(yùn)行時(shí)進(jìn)行，因此代碼就變得更加脆弱。
使用 Stack 類還存在一個(gè)性能問題，將值類型的實(shí)例傳遞給 Push 方法，運(yùn)行時(shí)將會對它進(jìn)行裝箱操作，頻繁的執(zhí)行值類型裝箱操作，系統(tǒng)會頻繁的分配內(nèi)存、復(fù)制值已經(jīng)進(jìn)行垃圾回收，這樣就導(dǎo)致了大量的性能開銷。通過前面的描述部分讀者應(yīng)該看出來了 Stack 類不是類型安全的類，因此在不使用泛型的情況下，我們?nèi)绻薷?Stack 類并保證它是類型安全的，并且要求它存儲指定的類型的話，我們必須這么做：
- public class StackDemo
- {
- public virtual User Pop();
- public virtual void Push(User user);
- //more code
- }
上面的代碼是不是很簡單?如果你真的這么認(rèn)為那么你就是想多了，由于我們要求只能存儲 User 類型的隊(duì)形，因此我們需要對 Stack 的每個(gè)方法進(jìn)行重寫實(shí)現(xiàn)，如果我們還需要一個(gè)存儲 Student 類型的 Stack ，我們就需要再重寫一次 Stack 的每個(gè)方法。這就凸顯了一個(gè)問題，代碼中產(chǎn)生了大量的類似的代碼和重復(fù)的代碼。
另外在沒有泛型的情況下如果聲明允許包含 Null 值的變量的時(shí)候就比較麻煩了。一般情況下我們常用的有兩種方法。
方法一：對需要處理 null 值的每個(gè)類型都需要聲明可空數(shù)據(jù)類型，我們來看個(gè)簡單的例子：
- struct NullInt
- {
- public int Value { get; private set;}
- public bool HasValue {get; private set;}
- }
上述例子很簡單，但是存在兩個(gè)問題，首先如果我們有很多可空類型的話，我們就需要編寫大量的類似代碼，其次如果可空值類型發(fā)生了改變那么我們就必須修改所有的可能類型聲明，可想而知工作量是非常巨大的，而且也很容易出現(xiàn)紕漏和錯(cuò)誤。
方法二：這個(gè)方法的出現(xiàn)就是為了解決我們在方法一中所提到的兩個(gè)問題。我們只需要聲明一個(gè)可能類型即可，類型中包含 object 類型的 Value 屬性，同樣我們先來看一下代碼：
- struct NullType
- {
- public object Value {get; private set;}
- public bool HasValue {get; private set;}
- }
這個(gè)方法雖然充分解決了方法一出現(xiàn)的問題，但是它并不完美。因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)在設(shè)置 Value 屬性的時(shí)候總是會對值類型進(jìn)行裝箱，另外通過 NullType.Value 獲取值地時(shí)候需要進(jìn)行強(qiáng)制類型裝換，這個(gè)操作在運(yùn)行時(shí)可能會報(bào)錯(cuò)。
二、泛型概述
泛型類型是 C# 2.0 引入的，它的引入在一定程度上減輕了開發(fā)人員的壓力，同時(shí)也使得程序變得更加健壯和穩(wěn)定。泛型類的語法也很簡單，用尖括號聲明泛型類型參數(shù)和提供泛型類型實(shí)參即可。我們來看一個(gè)定義泛型的例子：
- public class DataBaseOperating
- {
- private T[] ModelArray{get;}
- public bool Insert(T t)
- {
- //more code
- }
- public T SelectOne()
- {
- //more code
- }
- public List SelectAll()
- {
- //more code
- }
- //more code
- }
前面這段代碼，我們定義了操作數(shù)據(jù)庫的泛型類，這個(gè)類可以被項(xiàng)目中所有需要操作數(shù)據(jù)庫的類使用，我們只需將類型實(shí)參傳遞進(jìn)來即可。例如我們需要向數(shù)據(jù)庫插入一條 User 數(shù)據(jù)。我們可以這么做：
- //more code
- DataBaseOperating dbOp=new DataBaseOperating();
- dbOp.Insert(user);
- //more code
我們看到在定義泛型類的時(shí)候，我定義類型參數(shù)用的是 T ，這么做是大部分 C# 開發(fā)人員的一個(gè)習(xí)慣，也可以說是一個(gè)大家都默認(rèn)的規(guī)范，我們在開發(fā)時(shí)一般都會使用以大寫字母 T 作為前綴來表明它是一個(gè)類型參數(shù)。泛型的定義和使用就這么多，是不是很簡單呢?下面我們就來講解一下泛型的各個(gè)方面。在學(xué)習(xí)泛型類之前我們要先來了解一下它的優(yōu)點(diǎn)，來看看為什么微軟在 C# 2.0 中引入了泛型類。
泛型促進(jìn)了類型安全，它確保了參數(shù)化類中只有成員明確希望的數(shù)據(jù)類型才可以使用;
類型檢查會在編譯時(shí)發(fā)生進(jìn)而減少了在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換無效的錯(cuò)誤;
泛型類成員使用的是值類型，因此就不會出現(xiàn) object 裝箱轉(zhuǎn)換操作。并且代碼既保持具體類的優(yōu)勢又避免了具體類的開銷，這樣代碼的性能得以提高，內(nèi)存消耗也變得很少。
構(gòu)造函數(shù)
我們在開發(fā)中經(jīng)常用到構(gòu)造函數(shù)，在泛型類和泛型結(jié)構(gòu)中同樣也適用構(gòu)造函數(shù)。泛型類/結(jié)構(gòu)的構(gòu)造函數(shù)和普通類/結(jié)構(gòu)的構(gòu)造函數(shù)是一模一樣的，不需要類型參數(shù)只需要按照普通類/結(jié)構(gòu)的構(gòu)造函數(shù)定義方法定義即可。
- public class Demo
- {
- public T key {get;set;}
- public Demo(T t)
- {
- key=t;
- }
- }
- public struct Demo
- {
- public T value {get;set;}
- public Demo(T t)
- {
- value=t;
- }
- }
Tip：構(gòu)造函數(shù)包含類型參數(shù)也可以
結(jié)構(gòu)與接口
在 C# 中不僅僅存在泛型類，還存在泛型接口和泛型結(jié)構(gòu)。泛型接口和泛型結(jié)構(gòu)的語法和泛型類相同。這里主要講解一下在類中多次實(shí)現(xiàn)同一個(gè)泛型接口。我們先來看一下代碼：
- public interface IDemo
- {
- ICollection items {get;set;}
- }
- public class Demo:IDemo,IDemo
- {
- ICollection IDemo.items {get;set;}
- ICollection IDemo.items {get;set;}
- }
在上述代碼中，我們在類中顯示實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同類型實(shí)參的同一個(gè)泛型接口，一般來說在類中多次實(shí)現(xiàn)泛型接口并非是一個(gè)最優(yōu)的選擇，因?yàn)樗鼤斐纱a的混淆以及在使用的過程中造成誤會。因此除非特殊情況，絕大多數(shù)情況下，我們不應(yīng)該在一個(gè)類中多次實(shí)現(xiàn)同一個(gè)接口。
默認(rèn)值
當(dāng)我們需要在泛型類的構(gòu)造函數(shù)中部分屬性進(jìn)行初始化，而其他屬性不進(jìn)行初始化，但是我們在開發(fā)中無法確定傳入泛型類中的類型參數(shù)是什么，因此我們也無法通過具體的值設(shè)置默認(rèn)值。這種情況在 C# 中可以說是非常好解決，我們可以調(diào)用 default 操作符來給傳入的任意類型參數(shù)提供默認(rèn)值。例如下面這段代碼，我們只初始化 Key ，Value 的初始化則利用 default 操作符。
- public class Demo
- {
- T tKey {get;set;}
- T tValue {get;set;}
- public Demo(T key)
- {
- tKey=key;
- tValue=default(T);
- }
- }
Tip：default 中的參數(shù)并非是必須傳入的，在 C#7 中如果可以推斷出數(shù)據(jù)類型的話是不需要指定參數(shù)的。比如 Demo
多類型參數(shù)
前面我們所講的都是單個(gè)類型參數(shù)的泛型類，但是泛型類型不僅僅只能具有一個(gè)參數(shù)，它可以具有無限多的參數(shù)，例如我們定義一個(gè)泛型類，它的構(gòu)造函數(shù)接受兩個(gè)不同類型的參數(shù)，代碼可以這么實(shí)現(xiàn)。
- public class Demo()
- {
- public TKey key {get;set;}
- public TValue value {get;set;}
- public Demo(TKey tKey,TValue tValue)
- {
- key=tKey;
- value=tValue;
- }
- }
我們在使用 Demo 時(shí)，只需要聲明和實(shí)例化語句尖括號中指定的多個(gè)類型參數(shù)即可。在調(diào)用時(shí)要提供和方法參數(shù)匹配的類型。
- Demo demo=new Demo(1,"小明");
- Console.Write($"編號 {demo.key} 是 {demo.value}")
Tip：在 C# 中在同一個(gè)命名空間中可以存在多個(gè)同名但類型參數(shù)數(shù)量不同的類。在部分文章或圖書中會將類型參數(shù)數(shù)量稱為 元數(shù) 。
嵌套泛型類型
嵌套泛型類型在開發(fā)中用的比較少，但是還是有必要在這里說一下，因?yàn)橛胁糠珠_發(fā)人員對于這一塊不甚了解。嵌套泛型類型的外層也是一個(gè)泛型類型，外層的這個(gè)泛型類型通常被稱為包容泛型類型，嵌套泛型類型會自動(dòng)獲得包容泛型類型的類型參數(shù)，這段話有些繞口，我詳細(xì)講解一下。
例如 A 是包容泛型類型，它有一個(gè)類型參數(shù) T，B 是嵌套泛型類型，它位于 A 中，那么 B 也可以使用 A 的類型參數(shù) T ，如果 B 中也包含一個(gè)類型參數(shù) T ，那么 B 會隱藏 A 的類型參數(shù) T 。這里需要提醒的是如果嵌套泛型類型的類型參數(shù)和包容泛型類型的類型參數(shù)相同，那么開發(fā)工具將會出現(xiàn)編譯警告，這個(gè)警告是在告知開發(fā)人員使用了相同的類型參數(shù)，因此這里就引出一條編碼規(guī)則：避免在嵌套泛型類型中使用同名參數(shù)隱藏外層類型的類型參數(shù)。
泛型方法
前面我們所說的都是泛型類，在 C# 中除了有泛型類還有泛型方法，泛型方法的語法和泛型類的語法類似，并且泛型方法不僅可以出現(xiàn)在泛型類中也可以出現(xiàn)在普通類中。泛型方法和泛型類相比有一個(gè)很特別的地方，就是泛型方法可以自己推斷類型。編譯器可以根據(jù)傳給方法的實(shí)參來推斷泛型參數(shù)類型。因此如果想讓方法類型推斷成功，那么實(shí)參類型必須與泛型方法的形參相匹配。
三、泛型約束
在開發(fā)中大部分情況，我們不允許任何不符合我們要求的類型參數(shù)出現(xiàn)在我們的代碼中并引起錯(cuò)誤。要杜絕這個(gè)問題就需要用到泛型約束。聲明泛型約束需要使用 where 關(guān)鍵字，后面跟一對 參數(shù):要求 。這里面的參數(shù)必須是泛型類型中聲明的一個(gè)參數(shù)，要求描述的是類型參數(shù)所能轉(zhuǎn)換成的類或接口等條件。泛型約束分為：接口約束、類類型約束、class 和 struct 約束、多約束以及構(gòu)造函數(shù)約束。下面我們就來一一講解一下。
接口約束
為規(guī)定某個(gè)數(shù)據(jù)類型必須是向某個(gè)接口，需要聲明一個(gè) 接口類型約束 ，利用這種約束可以避免需要通過轉(zhuǎn)型才能調(diào)用一個(gè)顯示接口成員的實(shí)現(xiàn)。下面我們通過一個(gè)代碼段來講解一下接口約束。
- public class Demo where T:System.IComparable
- {
- //more code
- }
在上面這段代碼中，我們添加了 System.IComparable 約束，也就是說所提供的類型參數(shù)都必須實(shí)現(xiàn) System.IComparable
類類型約束
當(dāng)我們需要將類型實(shí)參轉(zhuǎn)換為特定的類類型時(shí)就需要用到 類類型約束。類類型約束的語法和接口約束語法相同。這里有一點(diǎn)需要注意，如果同時(shí)指定了多種約束，那么類類型約束必須位于第一位(第一個(gè)出現(xiàn))，并且泛型約束中是不允許使用多個(gè)類類型約束的，這是因?yàn)槲覀兊拇a不可能從多個(gè)不想管的類中派生出來，同樣類類型約束也不能指定密封類或者不是類的類型。
class、struct 約束
class 和 struct 約束是一個(gè)很容易出錯(cuò)并且也很容易讓新手程序員造成困惑的地方。首先很多新手程序員看到 class 約束會認(rèn)為是將類型實(shí)參限制為類類型，其實(shí)不是這樣的。class 約束是類型實(shí)參為引用類型，因此這里使用接口、類、委托以技術(shù)組類型都符合這個(gè)條件。struct 約束和 class 約束正好相反，它是將類型實(shí)參限制為值類型，并且值類型還不能是可空值類型。因?yàn)榭煽罩殿愋褪亲鳛榉盒?NUllable
Tip：因?yàn)?class 約束要求引用類型而 struct 約束要求值類型，因此這兩種約束是不能同時(shí)出現(xiàn)的。
多約束
我們可以為任意類型的參數(shù)指定任意數(shù)量的接口約束，所有的接口約束需要用逗號分割。如果存在多個(gè)不同類型的約束，針對每種約束都需要寫一個(gè) where 關(guān)鍵字，不同種類約束之間不需要用任何符號分割。我們來看一下多約束的代碼段：
- public class Demo
- where TKey:IA,IB
- where TValue: ClassA
- {
- //more code
- }
構(gòu)造函數(shù)約束
有時(shí)我們需要在泛型類中創(chuàng)建類型實(shí)參的實(shí)例，這時(shí)我們可以規(guī)定傳入泛型類的類型實(shí)參必須具有構(gòu)造函數(shù)，如果要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)我們可以使用new() 來作為限制，這個(gè)約束叫做 構(gòu)造函數(shù)約束 。這里需要注意的是構(gòu)造函數(shù)約束必須位于所有約束的后面，并且它只能對默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行約束，而不能對有參構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行約束。
Tip 1：關(guān)于約束繼承這個(gè)問題，想必好多開發(fā)人員都是一頭霧水。在這里我通過簡單的幾句來說一下約束繼承。首先無論是泛型類型參數(shù)還是它們的約束都不會被 派生類 繼承，這是因?yàn)榉盒皖愋蛥?shù)和約束不是類的成員。雖然不能被派生類繼承，但是可以被從其派生的泛型類所繼承。由于派生的泛型類類型參數(shù)是泛型基類的類型實(shí)參，所以類型參數(shù)必須具有等同于或者強(qiáng)于泛型基類的約束條件。
Tip 2：泛型方法同樣也可以使用約束，約束條件和泛型類類似。
六、總結(jié)
這篇文章我主要講解了泛型的一些知識，不能說很全面，但已經(jīng)覆蓋了百分之九十的內(nèi)容。泛型在開發(fā)中可以說是經(jīng)常用到，良好的使用泛型可以提高代碼復(fù)用率以及程序的運(yùn)行性能。
作者介紹
朱鋼，筆名喵叔，國內(nèi)知名技術(shù)社區(qū)博客認(rèn)證專家，2019年知名技術(shù)社區(qū)博客之星20強(qiáng)，.NET高級開發(fā)工程師，7年一線開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，參與過電子政務(wù)系統(tǒng)和AI客服系統(tǒng)的開發(fā)，以及互聯(lián)網(wǎng)招聘網(wǎng)站的架構(gòu)設(shè)計(jì)，目前就職于一家初創(chuàng)公司，從事企業(yè)級安全監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。
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