C#与CLR学习笔记（7）—— 泛型与泛型约束

浅浅的花香味﹌ 2023-03-14 08:21 3阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  1 泛型概述
 *   *  1.1 含义
     *  1.2 泛型的继承
     *   *  1.2.1 泛型类型的继承
         *  1.2.2 泛型的类型参数的继承
 *  2 泛型约束
 *   *  2.1 编译器对泛型参数的验证
     *  2.2 泛型约束的类型
     *  2.3 其他验证问题
 *  参考文献

# 1 泛型概述 #

## 1.1 含义 ##

使用泛型的主要目的有三个：（1）实现代码复用；（2）避免使用Object类，在实例化一个泛型类时，我们需要指定T的实际类型（类型实参），这样保证了类型安全；（3）减少了 Object 造成的装箱拆箱，提高性能（原理见下文）。  
对于编译器而言，泛型 T 本质上就是一个 **类型参数**（Type parameter），所谓**参数**其实就是一个特殊的占位符。泛型被定义在程序集中，因此当代码被编译成 IL 放到程序集中时，T 仍然存在，例如以下案例：

Console.WriteLine(typeof(List<>));
    Console.WriteLine(typeof(Dictionary<,>));
    //以下是输出
    System.Collections.Generic.List`1[T]
    System.Collections.Generic.Dictionary`2[TKey,TValue]

其中，后单引号（\`）后面的数字代表类型参数的个数。  
在代码运行时，即在 JIT 阶段，IL 被翻译成 本机语言时，泛型类型参数 T 会被替换成具体的类型。例如，如果你使用了 `List<int>` 类，那么代码中的 T 是在 JIT 翻译之后才变成了 int 类型。因此，不存在类型转换、装箱拆箱，这就是性能更好的原因。

需要注意，未指定类型实参的泛型类型是不能实例化的，因为它是一种 **开放类型**，这与你不能实例化一个接口一样。传递一个 **类型实参** （Type argument）后，变成 **封闭类型**，才可以实例化。案例：

Object o;
    o = Activator.CreateInstance(typeof(List<int>));//OK
    o = Activator.CreateInstance(typeof(List<>));//抛出ArgumentException，因为含有泛型参数

泛型最常用的地方是集合类。微软建议使用泛型集合，不建议使用非泛型集合，除了上文中提到的类型安全、性能高之外，泛型集合类中的虚方法更少，从而进一步提高执行性能；另外，泛型集合一般拥有更多的扩展方法，使用更方便。

## 1.2 泛型的继承 ##

### 1.2.1 泛型类型的继承 ###

泛型类可以派生自一个泛型基类，但是，泛型子类必须重复泛型基类的泛型类型，或者必须指定基类的泛型类型。  
例如，考察以下代码：

public class ChildGeneric : Generic<T>{
        } //编译失败
    public class ChildGeneric<T> : Generic<T>{
        } //编译通过
    public class ChildGeneric : Generic<int>{
        } //编译通过

### 1.2.2 泛型的类型参数的继承 ###

考察两个泛型类型 `List<MyBaseClass>` 和 `List<MyChildClass>`，其中 `MyChildClass` 派生自 `MyBaseClass`，那么 `List<MyBaseClass>` 和 `List<MyChildClass>` 之间有什么关系吗？答案是没有关系。

因为 **类型参数 的继承关系 不改变 泛型类型的 继承关系**，或者说，**泛型类型 破坏了 泛型类型参数的继承关系**。

更具体一点，指定类型实参并不影响层次结构。`List<T>` 派生自 `Object`，那么 `List<MyBaseClass>` 和 `List<MyChildClass>` 都是从 `Object` 派生，二者是 “平辈” 的。指定类型实参只是在 JIT 时拿指定的类型替换 T，这两个 List 是两个不同的类。

由此引出另一个话题，即 **逆变** 和 **协变**，详见我的另一篇文章《[C\#与CLR学习笔记（6）—— 轻松理解协变与逆变][C_CLR_6_]》

# 2 泛型约束 #

## 2.1 编译器对泛型参数的验证 ##

由于泛型参数 T 在定义时并未指定，因此，为了安全性，编译器会在编译时进行分析，确保代码适用于未来可能指定的任何泛型类型实参。  
例如，考察如下代码：

private static T Min<T>(T o1, T o2)
    {
        
        if (o1.CompareTo(o2) < 0)
            return o1;
        return o2;
    }

上述代码编译失败，因为并非所有类型都实现了 `IComparable` 接口，因此 `CompareTo()`方法有无法执行的风险。

所以从表面上看，使用泛型似乎做不了太多事情，只能使用 `Object` 中定义的方法。显然，实际情况并不是这样，因为有 **泛型约束** 机制，它使得泛型变得有用。

上面的案例改进一下，就可以顺利编译：

private static T Min<T>(T o1, T o2) where T : IComparable<T>
    {
        
        if (o1.CompareTo(o2) < 0)
            return o1;
        return o2;
    }

约束 可应用于 **泛型类型** 或 **泛型方法** 。如果 基类 或者 被重写/实现的方法 拥有泛型约束，那么子类或其方法必须应用同样的泛型约束。  
例如：

public class Generic<T> where T : struct
    {
        }
    public class ChildGeneric<T> : Generic<T> //编译失败
    {
        }
    public class ChildGeneric<T> : Generic<T> where T : struct //编译通过
    {
        }
    
    
    public interface IGeneric2
    {
        
         string GetTInfo<T>() where T : struct;
    }
    class ChildGeneric : IGeneric2
    {
        
         public string GetTInfo<T>() where T : class //编译失败
         {
        
              return "";
         }
    }
    class ChildGeneric : IGeneric2
    {
        
         public string GetTInfo<T>() where T : struct//编译通过
         {
        
              return "";
         }
    }

## 2.2 泛型约束的类型 ##

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>分类</th> 
   <th>形式</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>主要约束<br>(最多指定一个)</td> 
   <td><code>where T : struct</code></td> 
   <td>T 必须是值类型<br>（<code>Nullable&lt;T&gt;</code>除外，详见参考文献）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>where T : class</code></td> 
   <td>T 必须是引用类型</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>where T : Foo</code></td> 
   <td>T 必须派生自 Foo 类</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>次要约束<br>(可以指定多个)</td> 
   <td><code>where T : IFoo</code></td> 
   <td>T 必须实现 IFoo 接口</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>where T1 : T2</code></td> 
   <td>T1 派生自 泛型类型 T2</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>构造器约束</td> 
   <td><code>where T : new()</code></td> 
   <td>T 是拥有公共无参构造函数的非抽象类</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 2.3 其他验证问题 ##

（1）类型转换问题

泛型参数进行类型转换，要保证符合约束。尽量使用 `as` 进行转换。

public void DoSomething<T>(T obj)
    {
        
        int x = (int)obj; //编译错误
        int x = (int)（Object）obj; //编译通过，但运行时可能抛 InvalidCastException
        stirng x = obj as string; //推荐
    }

（2）将泛型类型转为默认值

推荐使用 `default` 关键字。

public void DoSomething<T>()
    {
        
        T temp = null; //编译错误，除非指定 T : class
        T temp = default(T); //推荐
    }

（3）两个泛型参数对比

需指定泛型约束。

public void DoSomething<T>(T o1, T o2)
    {
        
        if (o1 == o2){
        } //编译失败，因为若 T 是值类型，那么可能没有重载 == 运算符。
    }

（4）不能将泛型约束为具体的值类型，一是因为值类型是隐式密封的，无法被继承；二是因为这种情况使用泛型就没有意义。

# 参考文献 #

\[1\] 《CLR via C\#》 第四版

[C_CLR_6_]: https://blog.csdn.net/wnvalentin/article/details/100061689