在2005年底微軟公司正式發(fā)布了c# 2.0，與c# 1.x相比，新版本增加了很多新特性，其中最重要的是對泛型的支持。通過泛型，我們可以定義類型安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而無需使用實際的數(shù)據(jù)類型。這能顯著提高性能并得到更高質(zhì)量的代碼。泛型并不是什么新鮮的東西，他在功能上類似于c++的模板，模板多年前就已存在c++上了，并且在c++上有大量成熟應(yīng)用。
本文討論泛型使用的一般問題，比如為什么要使用泛型、泛型的編寫方法、泛型中數(shù)據(jù)類型的約束、泛型中靜態(tài)成員使用要注意的問題、泛型中方法重載的問、泛型方法等，通過這些使我們可以大致了解泛型并掌握泛型的一般應(yīng)用，編寫出更簡單、通用、高效的應(yīng)用系統(tǒng)。
什么是泛型
我們在編寫程序時，經(jīng)常遇到兩個模塊的功能非常相似，只是一個是處理int數(shù)據(jù)，另一個是處理string數(shù)據(jù)，或者其他自定義的數(shù)據(jù)類型，但我們沒有辦法，只能分別寫多個方法處理每個數(shù)據(jù)類型，因為方法的參數(shù)類型不同。有沒有一種辦法，在方法中傳入通用的數(shù)據(jù)類型，這樣不就可以合并代碼了嗎？泛型的出現(xiàn)就是專門解決這個問題的。讀完本篇文章，你會對泛型有更深的了解。
為什么要使用泛型
為了了解這個問題，我們先看下面的代碼，代碼省略了一些內(nèi)容，但功能是實現(xiàn)一個棧，這個棧只能處理int數(shù)據(jù)類型：
public class stack
{
private int[] m_item;
public int pop(){...}
public void push(int item){...}
public stack(int i)
{
this.m_item = new int[i];
}
}
上面代碼運行的很好，但是，當(dāng)我們需要一個棧來保存string類型時，該怎么辦呢？很多人都會想到把上面的代碼復(fù)制一份，把int改成string不就行了。當(dāng)然，這樣做本身是沒有任何問題的，但一個優(yōu)秀的程序是不會這樣做的，因為他想到若以后再需要long、node類型的棧該怎樣做呢？還要再復(fù)制嗎？優(yōu)秀的程序員會想到用一個通用的數(shù)據(jù)類型object來實現(xiàn)這個棧：
public class stack
{
private object[] m_item;
public object pop(){...}
public void push(object item){...}
public stack(int i)
{
this.m_item = new[i];
}
}
這個棧寫的不錯，他非常靈活，可以接收任何數(shù)據(jù)類型，可以說是一勞永逸。但全面地講，也不是沒有缺陷的，主要表現(xiàn)在：
當(dāng)stack處理值類型時，會出現(xiàn)裝箱、折箱操作，這將在托管堆上分配和回收大量的變量，若數(shù)據(jù)量大，則性能損失非常嚴(yán)重。
在處理引用類型時，雖然沒有裝箱和折箱操作，但將用到數(shù)據(jù)類型的強制轉(zhuǎn)換操作，增加處理器的負(fù)擔(dān)。
在數(shù)據(jù)類型的強制轉(zhuǎn)換上還有更嚴(yán)重的問題（假設(shè)stack是stack的一個實例）：
node1 x = new node1();
stack.push(x);
node2 y = (node2)stack.pop();
上面的代碼在編譯時是完全沒問題的，但由于push了一個node1類型的數(shù)據(jù)，但在pop時卻要求轉(zhuǎn)換為node2類型，這將出現(xiàn)程序運行時的類型轉(zhuǎn)換異常，但卻逃離了編譯器的檢查。
針對object類型棧的問題，我們引入泛型，他可以優(yōu)雅地解決這些問題。泛型用用一個通過的數(shù)據(jù)類型t來代替object，在類實例化時指定t的類型，運行時（runtime）自動編譯為本地代碼，運行效率和代碼質(zhì)量都有很大提高，并且保證數(shù)據(jù)類型安全。
使用泛型
下面是用泛型來重寫上面的棧，用一個通用的數(shù)據(jù)類型t來作為一個占位符，等待在實例化時用一個實際的類型來代替。讓我們來看看泛型的威力：
public class stack<t>
{
private t[] m_item;
public t pop(){...}
public void push(t item){...}
public stack(int i)
{
this.m_item = new t[i];
}
}
類的寫法不變，只是引入了通用數(shù)據(jù)類型t就可以適用于任何數(shù)據(jù)類型，并且類型安全的。這個類的調(diào)用方法：
//實例化只能保存int類型的類
stack<int> a = new stack<int>(100);
a.push(10);
a.push("8888"); //這一行編譯不通過，因為類a只接收int類型的數(shù)據(jù)
int x = a.pop();
//實例化只能保存string類型的類
stack<string> b = new stack<string>(100);
b.push(10); //這一行編譯不通過，因為類b只接收string類型的數(shù)據(jù)
b.push("8888");
string y = b.pop();
這個類和object實現(xiàn)的類有截然不同的區(qū)別：
1. 他是類型安全的。實例化了int類型的棧，就不能處理string類型的數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)類型也一樣。
2. 無需裝箱和折箱。這個類在實例化時，按照所傳入的數(shù)據(jù)類型生成本地代碼，本地代碼數(shù)據(jù)類型已確定，所以無需裝箱和折箱。
3. 無需類型轉(zhuǎn)換。
泛型類實例化的理論
c#泛型類在編譯時，先生成中間代碼il，通用類型t只是一個占位符。在實例化類時，根據(jù)用戶指定的數(shù)據(jù)類型代替t并由即時編譯器（jit）生成本地代碼，這個本地代碼中已經(jīng)使用了實際的數(shù)據(jù)類型，等同于用實際類型寫的類，所以不同的封閉類的本地代碼是不一樣的。按照這個原理，我們可以這樣認(rèn)為：
泛型類的不同的封閉類是分別不同的數(shù)據(jù)類型。
例：stack<int>和stack<string>是兩個完全沒有任何關(guān)系的類，你可以把他看成類a和類b，這個解釋對泛型類的靜態(tài)成員的理解有很大幫助。
泛型類中數(shù)據(jù)類型的約束
程序員在編寫泛型類時，總是會對通用數(shù)據(jù)類型t進(jìn)行有意或無意地有假想，也就是說這個t一般來說是不能適應(yīng)所有類型，但怎樣限制調(diào)用者傳入的數(shù)據(jù)類型呢？這就需要對傳入的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行約束，約束的方式是指定t的祖先，即繼承的接口或類。因為c#的單根繼承性，所以約束可以有多個接口，但最多只能有一個類，并且類必須在接口之前。這時就用到了c#2.0的新增關(guān)鍵字：
public class node<t, v> where t : stack, icomparable
where v: stack
{...}
以上的泛型類的約束表明，t必須是從stack和icomparable繼承，v必須是stack或從stack繼承，否則將無法通過編譯器的類型檢查，編譯失敗。
通用類型t沒有特指，但因為c#中所有的類都是從object繼承來，所以他在類node的編寫中只能調(diào)用object類的方法，這給程序的編寫造成了困難。比如你的類設(shè)計只需要支持兩種數(shù)據(jù)類型int和string，并且在類中需要對t類型的變量比較大小，但這些卻無法實現(xiàn)，因為object是沒有比較大小的方法的。 了解決這個問題，只需對t進(jìn)行icomparable約束，這時在類node里就可以對t的實例執(zhí)行compareto方法了。這個問題可以擴(kuò)展到其他用戶自定義的數(shù)據(jù)類型。
如果在類node里需要對t重新進(jìn)行實例化該怎么辦呢？因為類node中不知道類t到底有哪些構(gòu)造函數(shù)。為了解決這個問題，需要用到new約束：
public class node<t, v> where t : stack, new()
where v: icomparable
需要注意的是，new約束只能是無參數(shù)的，所以也要求相應(yīng)的類stack必須有一個無參構(gòu)造函數(shù)，否則編譯失敗。
c#中數(shù)據(jù)類型有兩大類：引用類型和值類型。引用類型如所有的類，值類型一般是語言的最基本類型，如int, long, struct等，在泛型的約束中，我們也可以大范圍地限制類型t必須是引用類型或必須是值類型，分別對應(yīng)的關(guān)鍵字是class和struct:
public class node<t, v> where t : class
where v: struct
泛型方法
泛型不僅能作用在類上，也可單獨用在類的方法上，他可根據(jù)方法參數(shù)的類型自動適應(yīng)各種參數(shù)，這樣的方法叫泛型方法?？聪旅娴念悾?br>
public class stack2
{
public void push<t>(stack<t> s, params t[] p)
{
foreach (t t in p)
{
s.push(t);
}
}
}
原來的類stack一次只能push一個數(shù)據(jù)，這個類stack2擴(kuò)展了stack的功能（當(dāng)然也可以直接寫在stack中），他可以一次把多個數(shù)據(jù)壓入stack中。其中push是一個泛型方法，這個方法的調(diào)用示例如下：
stack<int> x = new stack<int>(100);
stack2 x2 = new stack2();
x2.push(x, 1, 2, 3, 4, 6);
string s = "";
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
s += x.pop().tostring();
} //至此，s的值為64321
泛型中的靜態(tài)成員變量
在c#1.x中，我們知道類的靜態(tài)成員變量在不同的類實例間是共享的，并且他是通過類名訪問的。c#2.0中由于引進(jìn)了泛型，導(dǎo)致靜態(tài)成員變量的機(jī)制出現(xiàn)了一些變化：靜態(tài)成員變量在相同封閉類間共享，不同的封閉類間不共享。
這也非常容易理解，因為不同的封閉類雖然有相同的類名稱，但由于分別傳入了不同的數(shù)據(jù)類型，他們是完全不同的類，比如：
stack<int> a = new stack<int>();
stack<int> b = new stack<int>();
stack<long> c = new stack<long>();
類實例a和b是同一類型，他們之間共享靜態(tài)成員變量，但類實例c卻是和a、b完全不同的類型，所以不能和a、b共享靜態(tài)成員變量。
泛型中的靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)
靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)的規(guī)則：只能有一個，且不能有參數(shù)，他只能被.net運行時自動調(diào)用，而不能人工調(diào)用。
泛型中的靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)的原理和非泛型類是一樣的，只需把泛型中的不同的封閉類理解為不同的類即可。以下兩種情況可激發(fā)靜態(tài)的構(gòu)造函數(shù)：
1. 特定的封閉類第一次被實例化。
2. 特定封閉類中任一靜態(tài)成員變量被調(diào)用。 泛型類中的方法重載
方法的重載在.net framework中被大量應(yīng)用，他要求重載具有不同的簽名。在泛型類中，由于通用類型t在類編寫時并不確定，所以在重載時有些注意事項，這些事項我們通過以下的例子說明：
public class node<t, v>
{
public t add(t a, v b) //第一個add
{
return a;
}
public t add(v a, t b) //第二個add
{
return b;
}
public int add(int a, int b) //第三個add
{
return a + b;
}
}
上面的類很明顯，如果t和v都傳入int的話，三個add方法將具有同樣的簽名，但這個類仍然能通過編譯，是否會引起調(diào)用混淆將在這個類實例化和調(diào)用add方法時判斷。請看下面調(diào)用代碼：
node<int, int> node = new node<int, int>();
object x = node.add(2, 11);
這個node的實例化引起了三個add具有同樣的簽名，但卻能調(diào)用成功，因為他優(yōu)先匹配了第三個add。但如果刪除了第三個add，上面的調(diào)用代碼則無法編譯通過，提示方法產(chǎn)生的混淆，因為運行時無法在第一個add和第二個add之間選擇。
node<string, int> node = new node<string, int>();
object x = node.add(2, "11");
這兩行調(diào)用代碼可正確編譯，因為傳入的string和int，使三個add具有不同的簽名，當(dāng)然能找到唯一匹配的add方法。
由以上示例可知，c#的泛型是在實例的方法被調(diào)用時檢查重載是否產(chǎn)生混淆，而不是在泛型類本身編譯時檢查。同時還得出一個重要原則：
當(dāng)一般方法與泛型方法具有相同的簽名時，會覆蓋泛型方法。
泛型類的方法重寫
方法重寫（override）的主要問題是方法簽名的識別規(guī)則，在這一點上他與方法重載一樣，請參考泛型類的方法重載。
泛型的使用范圍
本文主要是在類中講述泛型，實際上，泛型還可以用在類方法、接口、結(jié)構(gòu)（struct）、委托等上面使用，使用方法大致相同，就不再講述。
小結(jié)
c# 泛型是開發(fā)工具庫中的一個無價之寶。它們可以提高性能、類型安全和質(zhì)量，減少重復(fù)性的編程任務(wù)，簡化總體編程模型，而這一切都是通過優(yōu)雅的、可讀性強的語法完成的。盡管 c# 泛型的根基是 c++ 模板，但 c# 通過提供編譯時安全和支持將泛型提高到了一個新水平。c# 利用了兩階段編譯、元數(shù)據(jù)以及諸如約束和一般方法之類的創(chuàng)新性的概念。毫無疑問，c# 的將來版本將繼續(xù)發(fā)展泛型，以便添加新的功能，并且將泛型擴(kuò)展到諸如數(shù)據(jù)訪問或本地化之類的其他 .net framework 領(lǐng)域。
