C# 中的泛型

術語表

generics：泛型
type-safe：類型安全
collection: 集合
compiler：編譯器
run time：程序運行時
object: 對象
.NET library：.Net類庫
value type: 值類型
box: 裝箱
unbox: 拆箱
implicity: 隱式
explicity: 顯式
linked list: 線性鏈表
node: 結點
indexer: 索引器

簡介

Visual C# 2.0 的一個最受期待的(或許也是最讓人畏懼)的一個特性就是對于泛型的支持。這篇文章將告訴你泛型用來解決什么樣的問題，以及如何使用它們來提高你的代碼質量，還有你不必恐懼泛型的原因。

泛型是什么？

很多人覺得泛型很難理解。我相信這是因為他們通常在了解泛型是用來解決什么問題之前，就被灌輸了大量的理論和范例。結果就是你有了一個解決方案，但是卻沒有需要使用這個解決方案的問題。

這篇文章將嘗試著改變這種學習流程，我們將以一個簡單的問題作為開始：泛型是用來做什么的？答案是：沒有泛型，將會很難創建類型安全的集合。

C# 是一個類型安全的語言，類型安全允許編譯器(可信賴地)捕獲潛在的錯誤，而不是在程序運行時才發現(不可信賴地，往往發生在你將產品出售了以后！)。因此，在C#中，所有的變量都有一個定義了的類型；當你將一個對象賦值給那個變量的時候，編譯器檢查這個賦值是否正確，如果有問題，將會給出錯誤信息。

在 .Net 1.1 版本(2003)中，當你在使用集合時，這種類型安全就失效了。由.Net 類庫提供的所有關于集合的類全是用來存儲基類型(Object)的，而.Net中所有的一切都是由Object基類繼承下來的，因此所有類型都可以放到一個集合中。于是，相當于根本就沒有了類型檢測。

更糟的是，每一次你從集合中取出一個Object，你都必須將它強制轉換成正確的類型，這一轉換將對性能造成影響，并且產生冗長的代碼(如果你忘了進行轉換，將會拋出異常)。更進一步地講，如果你給集合中添加一個值類型(比如，一個整型變量)，這個整型變量就被隱式地裝箱了(再一次降低了性能)，而當你從集合中取出它的時候，又會進行一次顯式地拆箱(又一次性能的降低和類型轉換)。

關于裝箱、拆箱的更多內容，請訪問 陷阱4，警惕隱式的裝箱、拆箱。

創建一個簡單的線性鏈表

為了生動地感受一下這些問題，我們將創建一個盡可能簡單的線性鏈表。對于閱讀本文的那些從未創建過線性鏈表的人。你可以將線性鏈表想像成有一條鏈子栓在一起的盒子(稱作一個結點)，每個盒子里包含著一些數據 和 鏈接到這個鏈子上的下一個盒子的引用(當然，除了最后一個盒子，這個盒子對于下一個盒子的引用被設置成NULL)。

為了創建我們的簡單線性鏈表，我們需要下面三個類：

1、Node 類，包含數據以及下一個Node的引用。

2、LinkedList 類，包含鏈表中的第一個Node，以及關于鏈表的任何附加信息。

3、測試程序，用于測試 LinkedList 類。

為了查看鏈接表如何運作，我們添加Objects的兩種類型到鏈表中：整型 和 Employee類型。你可以將Employee類型想象成一個包含關于公司中某一個員工所有信息的類。出于演示的目的，Employee類非常的簡單。

public class Employee{
　　private string name;
　　public Employee (string name){
　　　　this.name = name;
　　}

　　public override string ToString(){
　　　return this.name;
　　}
}

這個類僅包含一個表示員工名字的字符串類型，一個設置員工名字的構造函數，一個返回Employee名字的ToString()方法。

鏈接表本身是由很多的Node構成，這些Note，如上面所說，必須包含數據(整型 和 Employee)和鏈表中下一個Node的引用。

public class Node{
??? Object data;
??? Node next;

??? public Node(Object data){
?????? this.data = data;
?????? this.next = null;
??? }

??? public Object Data{
?????? get { return this.data; }
?????? set { data = value; }
??? }

??? public Node Next{
??? ??? get { return this.next; }
?????? set { this.next = value; }
??? }
}

注意構造函數將私有的數據成員設置成傳遞進來的對象，并且將 next 字段設置成null。

這個類還包括一個方法，Append，這個方法接受一個Node類型的參數，我們將把傳遞進來的Node添加到列表中的最后位置。這過程是這樣的：首先檢測當前Node的next字段，看它是不是null。如果是，那么當前Node就是最后一個Node，我們將當前Node的next屬性指向傳遞進來的新結點，這樣，我們就把新Node插入到了鏈表的尾部。

如果當前Node的next字段不是null，說明當前node不是鏈表中的最后一個node。因為next字段的類型也是node，所以我們調用next字段的Append方法(注：遞歸調用)，再一次傳遞Node參數，這樣繼續下去，直到找到最后一個Node為止。

public void Append(Node newNode){
??? if ( this.next == null ){
?????? this.next = newNode;
??? }else{
?????? next.Append(newNode);
? ? }
}

Node 類中的 ToString() 方法也被覆蓋了，用于輸出 data 中的值，并且調用下一個 Node 的 ToString()方法(譯注：再一次遞歸調用)。

public override string ToString(){
??? string output = data.ToString();

??? if ( next != null ){
?????? output += ", " + next.ToString();
??? }

??? return output;
}

這樣，當你調用第一個Node的ToString()方法時，將打印出所有鏈表上Node的值。

LinkedList 類本身只包含對一個Node的引用，這個Node稱作 HeadNode，是鏈表中的第一個Node，初始化為null。

public class LinkedList{
??? Node headNode = null;
}

LinkedList 類不需要構造函數(使用編譯器創建的默認構造函數)，但是我們需要創建一個公共方法，Add()，這個方法把 data存儲到線性鏈表中。這個方法首先檢查headNode是不是null，如果是，它將使用data創建結點，并將這個結點作為headNode，如果不是null，它將創建一個新的包含data的結點，并調用headNode的Append方法，如下面的代碼所示：

public void Add(Object data){
??? if ( headNode == null ){
?????? headNode = new Node(data);
??? }else{
?????? headNode.Append(new Node(data));
??? }
}

為了提供一點集合的感覺，我們為線性鏈表創建一個索引器。

public object this[ int index ]{
??? get{
?????? int ctr = 0;
?????? Node node = headNode;
?????? while ( node != null? && ctr <= index ){
?????????? if ( ctr == index ){
????????????? return node.Data;
?????????? }else{
????????????? node = node.Next;
?????????? }
?????????? ctr++;
??? ??? }
??? return null;
??? }
}

最后，ToString()方法再一次被覆蓋，用以調用headNode的ToString()方法。

public override string ToString(){
??? if ( this.headNode != null ){
?????? return this.headNode.ToString();
??? }else{
?????? return string.Empty;
??? }
}

測試線性鏈表

我們可以添加一些整型值到鏈表中進行測試：

public void Run(){
??? LinkedList ll = new LinkedList();
??? for ( int i = 0; i < 10; i ++ ){
?????? ll.Add(i);
??? }

??? Console.WriteLine(ll);
??? Console.WriteLine("? Done. Adding employees...");
}

如果你對這段代碼進行測試，它會如預計的那樣工作：

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Done. Adding employees...

然而，因為這是一個Object類型的集合，所以你同樣可以將Employee類型添加到集合中。

ll.Add(new Employee("John"));
ll.Add(new Employee("Paul"));
ll.Add(new Employee("George"));
ll.Add(new Employee("Ringo"));

Console.WriteLine(ll);
Console.WriteLine("? Done.");

輸出的結果證實了，整型值和Employee類型都被存儲在了同一個集合中。

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
? Done. Adding employees...
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, John, Paul, George, Ringo
Done.

雖然看上去這樣很方便，但是負面影響是，你失去了所有類型安全的特性。因為線性鏈表需要的是一個Object類型，每一個添加到集合中的整型值都被隱式裝箱了，如同 IL 代碼所示：

IL_ 000c:? box??????? [mscorlib]System.Int32
IL_0011:? callvirt?? instance void ObjectLinkedList.LinkedList::Add(object)

同樣，如果上面所說，當你從你的列表中取出項目的時候，這些整型必須被顯式地拆箱(強制轉換成整型)，Employee類型必須被強制轉換成 Employee類型。

Console.WriteLine("The fourth integer is " + Convert.ToInt32(ll[3]));
Employee d = (Employee) ll[11];
Console.WriteLine("The second Employee is " + d);

這些問題的解決方案是創建一個類型安全的集合。一個 Employee 線性鏈表將不能接受 Object 類型；它只接受 Employee類的實例(或者繼承自Employee類的實例)。這樣將會是類型安全的，并且不再需要類型轉換。一個 整型的 線性鏈表，這個鏈表將不再需要裝箱和拆箱的操作(因為它只能接受整型值)。

作為示例，你將創建一個 EmployeeNode，該結點知道它的data的類型是Employee。

public class EmployeeNode {
??? Employee employeedata;
??? EmployeeNode employeeNext;
}

Append 方法現在接受一個 EmployeeNode 類型的參數。你同樣需要創建一個新的 EmployeeLinkedList ，這個鏈表接受一個新的 EmployeeNode：

public class EmployeeLinkedList{
??? EmployeeNode headNode = null;
}

EmployeeLinkedList.Add()方法不再接受一個 Object，而是接受一個Employee：

public void Add(Employee data){
??? if ( headNode == null ){
?????? headNode = new EmployeeNode(data);}
??? else{
?????? headNode.Append(new EmployeeNode(data));
??? }
}

類似的，索引器必須被修改成接受 EmployeeNode 類型，等等。這樣確實解決了裝箱、拆箱的問題，并且加入了類型安全的特性。你現在可以添加Employee(但不是整型)到你新的線性鏈表中了，并且當你從中取出Employee的時候，不再需要類型轉換了。

EmployeeLinkedList employees = new EmployeeLinkedList();
employees.Add(new Employee("Stephen King"));
employees.Add(new Employee("James Joyce"));
employees.Add(new Employee("William Faulkner"));
/* employees.Add(5);? // try to add an integer - won't compile */
Console.WriteLine(employees);
Employee e = employees[1];
Console.WriteLine("The second Employee is " + e);

這樣多好啊，當有一個整型試圖隱式地轉換到Employee類型時，代碼甚至連編譯器都不能通過！

但它不好的地方是：每次你需要創建一個類型安全的列表時，你都需要做很多的復制/粘貼 。一點也不夠好，一點也沒有代碼重用。同時，如果你是這個類的作者，你甚至不能提前欲知這個鏈接列表所應該接受的類型是什么，所以，你不得不將添加類型安全這一機制的工作交給類的使用者---你的用戶。

使用泛型來達到代碼重用

解決方案，如同你所猜想的那樣，就是使用泛型。通過泛型，你重新獲得了鏈接列表的　　　代碼通用(對于所有類型只用實現一次)，而當你初始化鏈表的時候你告訴鏈表所能接受的類型。這個實現是非常簡單的，讓我們重新回到Node類：

public class Node{
??? Object data;
??? ...

注意到 data 的類型是Object，(在EmployeeNode中，它是Employee)。我們將把它變成一個泛型(通常，由一個大寫的T代表)。我們同樣定義Node類，表示它可以被泛型化，以接受一個T類型。

public class Node <T>{
??? T data;
??? ...

讀作：T類型的Node。T代表了當Node被初始化時，Node所接受的類型。T可以是Object，也可能是整型或者是Employee。這個在Node被初始化的時候才能確定。

注意：使用T作為標識只是一種約定俗成，你可以使用其他的字母組合來代替，比如這樣：

public class Node <UnknownType>{
??? UnknownType data;
??? ...

通過使用T作為未知類型，next字段(下一個結點的引用)必須被聲明為T類型的Node(意思是說接受一個T類型的泛型化Node)。

??? Node<T> next;

構造函數接受一個T類型的簡單參數：

public Node(T data)
{
??? this.data = data;
??? this.next = null;
}

Node 類的其余部分是很簡單的，所有你需要使用Object的地方，你現在都需要使用T。LinkedList 類現在接受一個 T類型的Node，而不是一個簡單的Node作為頭結點。

public class LinkedList<T>{
??? Node<T> headNode = null;

再來一遍，轉換是很直白的。任何地方你需要使用Object的，現在改做T，任何需要使用Node的地方，現在改做 Node<T>。下面的代碼初始化了兩個鏈接表。一個是整型的。

LinkedList<int> ll = new LinkedList<int>();

另一個是Employee類型的：

LinkedList<Employee> employees = new LinkedList<Employee>();

剩下的代碼與第一個版本沒有區別，除了沒有裝箱、拆箱，而且也不可能將錯誤的類型保存到集合中。

LinkedList<int> ll = new LinkedList<int>();
for ( int i = 0; i < 10; i ++ )
{
??? ll.Add(i);
}

Console.WriteLine(ll);
Console.WriteLine("? Done.");

LinkedList<Employee> employees = new LinkedList<Employee>();
employees.Add(new Employee("John"));
employees.Add(new Employee("Paul"));
employees.Add(new Employee("George"));
employees.Add(new Employee("Ringo"));

Console.WriteLine(employees);
Console.WriteLine("? Done.");
Console.WriteLine("The fourth integer is " + ll[3]);
Employee d = employees[1];
Console.WriteLine("The second Employee is " + d);

泛型允許你不用復制/粘貼冗長的代碼就實現類型安全的集合。而且，因為泛型是在運行時才被擴展成特殊類型。Just In Time編譯器可以在不同的實例之間共享代碼，最后，它顯著地減少了你需要編寫的代碼。?

總結

以上是生活随笔為你收集整理的C# 中的泛型的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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