浅谈C#泛型的用处与特点

泛型是 2.0 版 C# 语言和公共语言运行库 (CLR) 中的一个新功能。泛型将类型参数的概念引入 .NET Framework，类型参数使得设计如下类和方法成为可能：这些类和方法将一个或多个类型的指定推迟到客户端代码声明并实例化该类或方法的时候。例如，通过使用泛型类型参数 T，您可以编写其他客户端代码能够使用的单个类，而不致引入运行时强制转换或装箱操作的成本或风险，如下所示：

代码如下:

// Declare the generic class
public class GenericList<T>
{
void Add(T input) { }
}
class TestGenericList
{
private class ExampleClass { }
static void Main()
{
// Declare a list of type int
GenericList<int> list1 = new GenericList<int>();
// Declare a list of type string
GenericList<string> list2 = new GenericList<string>();
// Declare a list of type ExampleClass
GenericList<ExampleClass> list3 = new GenericList<ExampleClass>();
}
}

使用泛型类型可以最大限度地重用代码、保护类型的安全以及提高性能。
泛型最常见的用途是创建集合类。
.NET Framework 类库在 System.Collections.Generic 命名空间中包含几个新的泛型集合类。应尽可能地使用这些类来代替普通的类，如 System.Collections 命名空间中的 ArrayList。
您可以创建自己的泛型接口、泛型类、泛型方法、泛型事件和泛型委托。
可以对泛型类进行约束以访问特定数据类型的方法。
关于泛型数据类型中使用的类型的信息可在运行时通过反射获取。

为什么要使用C#泛型?

为了了解这个问题，我们先看下面的代码，代码省略了一些内容，但功能是实现一个栈，这个栈只能处理int数据类型：

代码如下:

publicclassStack
{
privateint[]m_item;
publicintPop(){...}
publicvoidPush(intitem){...}
publicStack(inti)
{
this.m_item=newint[i];
}
}

上面代码运行的很好，但是，当我们需要一个栈来保存string类型时，该怎么办呢？很多人都会想到把上面的代码复制一份，把int改成string不就行了。当然，这样做本身是没有任何问题的，但一个优秀的程序是不会这样做的，因为他想到若以后再需要long、Node类型的栈该怎样做呢？还要再复制吗？优秀的程序员会想到用一个通用的数据类型object来实现这个栈：


代码如下:

publicclassStack
{
privateobject[]m_item;
publicobjectPop(){...}
publicvoidPush(objectitem){...}
publicStack(inti)
{
this.m_item=new[i];
}
}

这个栈写的不错，他非常灵活，可以接收任何数据类型，可以说是一劳永逸。但全面地讲，也不是没有缺陷的，主要表现在：

当Stack处理值类型时，会出现装箱、折箱操作，这将在托管堆上分配和回收大量的变量，若数据量大，则性能损失非常严重。

在处理引用类型时，虽然没有装箱和折箱操作，但将用到数据类型的强制转换操作，增加处理器的负担。

在数据类型的强制转换上还有更严重的问题（假设stack是Stack的一个实例）：

代码如下:

Node1x=newNode1();
stack.Push(x);
Node2y=(Node2)stack.Pop();

上面的代码在编译时是完全没问题的，但由于Push了一个Node1类型的数据，但在Pop时却要求转换为Node2类型，这将出现程序运行时的类型转换异常，但却逃离了编译器的检查。

针对object类型栈的问题，我们引入泛型，他可以优雅地解决这些问题。泛型用用一个通过的数据类型T来代替object，在类实例化时指定T的类型，运行时（Runtime）自动编译为本地代码，运行效率和代码质量都有很大提高，并且保证数据类型安全。

使用C#泛型

下面是用泛型来重写上面的栈，用一个通用的数据类型T来作为一个占位符，等待在实例化时用一个实际的类型来代替。让我们来看看泛型的威力：

代码如下:

publicclassStack
{
privateT[]m_item;
publicTPop(){...}
publicvoidPush(Titem){...}
publicStack(inti)
{
this.m_item=newT[i];
}
}

类的写法不变，只是引入了通用数据类型T就可以适用于任何数据类型，并且类型安全的。这个类的调用方法：

代码如下:

//实例化只能保存int类型的类
Stacka=newStack(100);
a.Push(10);
a.Push("8888");//这一行编译不通过，因为类a只接收int类型的数据
intx=a.Pop();
//实例化只能保存string类型的类
Stackb=newStack(100);
b.Push(10);//这一行编译不通过，因为类b只接收string类型的数据
b.Push("8888");
stringy=b.Pop();

这个类和object实现的类有截然不同的区别：

1.他是类型安全的。实例化了int类型的栈，就不能处理string类型的数据，其他数据类型也一样。

2.无需装箱和折箱。这个类在实例化时，按照所传入的数据类型生成本地代码，本地代码数据类型已确定，所以无需装箱和折箱。

3.无需类型转换。

理论知识：

所谓泛型：即通过参数化类型来实现在同一份代码上操作多种数据类型。泛型编程是一种编程范式，它利用“参数化类型”将类型抽象化，从而实现更为灵活的复用。

C#泛型赋予了代码更强的类型安全，更好的复用，更高的效率，更清晰的约束。

C#泛型能力由CLR在运行时支持，区别于C++的编译时模板机制，和java的编译时的“搽拭法”。这使得泛型能力可以在各个支持CLR的语言之间进行无缝的互操作。

C#泛型代码在被编译为IL和元数据时，采用特殊的占位符来表示泛型类型，并用专有的IL指令支持泛型操作。而真正的泛型实例化工作以“on-demand”的方式，发生在JIT编译时。

C#泛型编译机制如下：

第一轮编译时，编译器只为Stack类型产生“泛型版”的IL代码和元数据，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时，将用int类型替换“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。

C#泛型的几个特点

如果实例化泛型类型的参数相同，那么JIT编译器会重复使用该类型，因此C#的动态泛型能力避免了C++静态模板可能导致的代码膨胀的问题。

C#泛型类型携带有丰富的元数据，因此C#的泛型类型可以应用于强大的反射技术。

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参数的“显示约束”，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#泛型类在编译时，先生成中间代码IL，通用类型T只是一个占位符。在实例化类时，根据用户指定的数据类型代替T并由即时编译器（JIT）生成本地代码，这个本地代码中已经使用了实际的数据类型，等同于用实际类型写的类，所以不同的封闭类的本地代码是不一样的。按照这个原理，我们可以这样认为：泛型类的不同的封闭类是分别不同的数据类型。

这样泛型不仅更加灵活，也同时将代码的简便和提高到一个层次！不用再为具体不同的重载方法写具体的代码了！

C# 泛型是开发工具库中的一个无价之宝。它们可以提高性能、类型安全和质量，减少重复性的编程任务，简化总体编程模型，而这一切都是通过优雅的、可读性强的语法完成的。尽管 C# 泛型的根基是 C++ 模板，但 C# 通过提供编译时安全和支持将泛型提高到了一个新水平。C# 利用了两阶段编译、元数据以及诸如约束和一般方法之类的创新性的概念。毫无疑问，C# 的将来版本将继续发展泛型，以便添加新的功能，并且将泛型扩展到诸如数据访问或本地化之类的其他 .NET Framework 领域。

当然，C#的泛型还很多应用，现在我还只是了解了它的机制和原理，在接下来的学习中我会系统得学习泛型所支持的抽象泛型，接口泛型，结构和委托等！