C#泛型学习笔记

本笔记摘抄自：https://www.cnblogs.com/dotnet261010/p/9034594.html，记录一下学习过程以备后续查用。

一、什么是泛型

泛型是C#2.0推出的新语法，不是语法糖，而是2.0由框架升级提供的功能。泛型类就类似于一个模板，可以在需要时为这个模板传入任何我们需要的类型。

二、为什么使用泛型

下面代码演示输出几种类型的相关信息：

    class Program
    {
        /// <summary>
        /// 打印帮助类
        /// </summary>
        public class ShowHelper
        {
            /// <summary>
            /// ShowInt
            /// </summary>
            /// <param name="intParam"></param>
            public static void ShowInt(int intParam)
            {
                Console.WriteLine($"Class={typeof(ShowHelper).Name},Type={intParam.GetType().Name},Parameter={intParam}");
            }

            /// <summary>
            /// ShowString
            /// </summary>
            /// <param name="strParam"></param>
            public static void ShowString(string strParam)
            {
                Console.WriteLine($"Class={typeof(ShowHelper).Name},Type={strParam.GetType().Name},Parameter={strParam}");
            }

            /// <summary>
            /// ShowDateTime
            /// </summary>
            /// <param name="dtParam"></param>
            public static void ShowDateTime(DateTime dtParam)
            {
                Console.WriteLine($"Class={typeof(ShowHelper).Name},Type={dtParam.GetType().Name},Parameter={dtParam}");
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 非泛型打印方式一
            ShowHelper.ShowInt(123);
            ShowHelper.ShowString("Hello World.");
            ShowHelper.ShowDateTime(DateTime.Now);
            Console.Read();
            #endregion
        }
    }

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运行结果如下：

上面3个方法很相似，除了参数类型不同外，实现的功能是一样的，可以稍作优化。

下面代码演示使用继承的方式输出几种类型的相关信息：

    class Program
    {
        /// <summary>
        /// 打印帮助类
        /// </summary>
        public class ShowHelper
        {
            /// <summary>
            /// ShowType
            /// </summary>
            /// <param name="obj"></param>
            public static void ShowType(object obj)
            {
                Console.WriteLine($"Class={typeof(ShowHelper).Name},Type={obj.GetType().Name},Parameter={obj}");
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 非泛型打印方式二
            ShowHelper.ShowType(123);
            ShowHelper.ShowType("Hello World.");
            ShowHelper.ShowType(DateTime.Now);
            Console.Read();
            #endregion
        }
    }

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功能实现没有问题，只是object与其它类型的转换，涉及到装箱和拆箱的过程，这个是会损耗程序的性能的。

三、泛型类型参数

在泛型类型或方法的定义中，泛型类型参数可认为是特定类型的占位符。

下面代码演示使用泛型的方式输出几种类型的相关信息：

    class Program
    {
        /// <summary>
        /// 打印帮助类
        /// </summary>
        public class ShowHelper
        {
            /// <summary>
            /// Show
            /// </summary>
            /// <param name="obj"></param>
            public static void Show<T>(T tParam)
            {
                Console.WriteLine($"Class={typeof(ShowHelper).Name},Type={tParam.GetType().Name},Parameter={tParam}");
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 泛型打印方式
            ShowHelper.Show(123);
            ShowHelper.Show("Hello World.");
            ShowHelper.Show(DateTime.Now);
            Console.Read();
            #endregion
        }
    }

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运行结果如下：

1、为什么泛型可以解决上面的问题呢？

泛型是延迟声明的：即定义的时候没有指定具体的参数类型，把参数类型的声明推迟到调用的时候才给它指定。

2、泛型究竟是如何工作的呢？

程序执行原理：控制台程序最终会编译成一个exe程序。当exe被点击的时候，会经过JIT(即时编译器)的编译，最终生成二进制代码才能被计算机执行。

泛型工作原理：泛型加入到语法以后，VS自带的编译器做了升级，升级之后编译时若遇到泛型，会做特殊的处理：生成占位符。然后经过JIT编译的时候，

会把上面编译生成的占位符替换成具体的数据类型。

下面代码演示泛型占位符：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            #region 泛型占位符
            Console.WriteLine(typeof(List<>));
            Console.WriteLine(typeof(Dictionary<,>));
            Console.Read();
            #endregion
        }
    }

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运行结果如下：

3、泛型性能问题

下面代码演示泛型性能测试：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            #region 泛型性能测试
            long commonTime = 0;
            long objectTime = 0;
            long genericTime = 0;
            Stopwatch watch = new Stopwatch();
            watch.Start();
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                ShowHelper.ShowInt(123);
            }
            watch.Stop();
            commonTime = watch.ElapsedMilliseconds;

            watch.Reset();
            watch.Start();
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                ShowHelper.ShowType(123);
            }
            watch.Stop();
            objectTime = watch.ElapsedMilliseconds;

            watch.Reset();
            watch.Start();
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                ShowHelper.Show(123);
            }
            watch.Stop();
            genericTime = watch.ElapsedMilliseconds;

            Console.Clear();
            Console.WriteLine($"Common time={commonTime}ms");
            Console.WriteLine($"Object time={objectTime}ms");
            Console.WriteLine($"Generic time={genericTime}ms");
            Console.Read();
            #endregion
        }
    }

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运行结果如下：

从结果可以看出，泛型的性能是最高的。

四、泛型类

下面代码演示泛型类：

    class Program
    {
        /// <summary>
        /// 泛型类
        /// </summary>
        /// <typeparam name="T"></typeparam>
        public class GenericClass<T>
        {
            public T varT;
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 泛型类
            //T是int类型
            GenericClass<int> genericInt = new GenericClass<int>
            {
                varT = 123
            };
            Console.WriteLine($"The value of T={genericInt.varT}");
            //T是string类型
            GenericClass<string> genericString = new GenericClass<string>
            {
                varT = "123"
            };
            Console.WriteLine($"The value of T={genericString.varT}");
            Console.Read();
            #endregion
        }
    }

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运行结果如下：

五、泛型接口

注：泛型在声明的时候可以不指定具体的类型，继承的时候也可以不指定具体类型，但是在使用的时候必须指定具体类型。

下面代码演示泛型接口：

    class Program
    {
        /// <summary>
        /// 泛型接口
        /// </summary>
        public interface IGenericInterface<T>
        {
            T GetT(T t);
        }

        /// <summary>
        /// 泛型接口实现类
        /// </summary>
        /// <param name="args"></param>
        public class GenericGet<T> : IGenericInterface<T>
        {
            T varT;
            public T GetT(T t)
            {
                varT = t;
                return varT;
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 泛型接口
            IGenericInterface<int> genericInterface = new GenericGet<int>();
            var result = genericInterface.GetT(123);
            Console.WriteLine($"Result={result}");
            Console.Read();
            #endregion
        }
    }

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运行结果如下：

六、泛型委托

下面代码演示泛型委托：

    class Program
    {
        /// <summary>
        /// 泛型委托
        /// </summary>
        /// <typeparam name="T"></typeparam>
        /// <param name="t"></param>
        public delegate void SayHi<T>(T t);

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 泛型委托
            SayHi<string> sayHi = SayHello;
            sayHi("Hello World");
            Console.Read();
            #endregion
        }

        /// <summary>
        /// SayHello
        /// </summary>
        /// <param name="greeting"></param>
        public static void SayHello(string greeting)
        {
            Console.WriteLine($"{greeting}");
        }
    }

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运行结果如下：

七、泛型约束

泛型约束，实际上就是约束的类型T，使T必须遵循一定的规则。比如T必须继承自某个类或者T必须实现某个接口等等。

怎样给泛型指定约束？其实也很简单，只需要where关键字，加上约束的条件。

泛型约束总共有五种：

约束	s说明
T：结构	类型参数必须是值类型
T：类	类型参数必须是引用类型；这一点也适用于任何类、接口、委托或数组类型。
T：new()	类型参数必须具有无参数的公共构造函数。当与其他约束一起使用时，new() 约束必须最后指定。
T：<基类名>	类型参数必须是指定的基类或派生自指定的基类。
T：<接口名称>	类型参数必须是指定的接口或实现指定的接口。可以指定多个接口约束。约束接口也可以是泛型的。

7.1基类约束

下面代码演示基类约束：

        /// <summary>
        /// 运动类接口
        /// </summary>
        public interface ISports
        {
            void Pingpong();
        }

        /// <summary>
        /// 人类基类
        /// </summary>
        public class People
        {
            public string Name { get; set; }

            public virtual void Greeting()
            {
                Console.WriteLine("Hello World.");
            }
        }

        /// <summary>
        /// 中国人
        /// </summary>
        public class Chinese : People, ISports
        {
            public void FineTradition()
            {
                Console.WriteLine("自古以来，中华民族就保持着勤劳的优良传统。");
            }
            public override void Greeting()
            {
                Console.WriteLine("吃饭了没？");
            }

            public void Pingpong()
            {
                Console.WriteLine("乒乓球是中国的国球。");
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 泛型约束：基类约束
            Chinese chinese = new Chinese()
            {
                Name = "中国人"
            };
            ShowPeople(chinese);
            Console.Read();
            #endregion
        }

        /// <summary>
        /// 基类约束
        /// </summary>
        /// <param name="obj"></param>
        public static void ShowPeople<T>(T tParam) where T:People
        {
            Console.WriteLine($"{((People)tParam).Name}");
        }
    }

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运行结果如下：

注：基类约束时，基类不能是密封类，即不能是sealed类。sealed类表示该类不能被继承，在这里用作约束就无任何意义了，因为sealed类没有子类。

7.2接口约束

下面代码演示接口约束：

    class Program
    {
        /// <summary>
        /// 运动类接口
        /// </summary>
        public interface ISports
        {
            void Pingpong();
        }

        /// <summary>
        /// 人类基类
        /// </summary>
        public class People
        {
            public string Name { get; set; }

            public virtual void Greeting()
            {
                Console.WriteLine("Hello World.");
            }
        }

        /// <summary>
        /// 中国人
        /// </summary>
        public class Chinese : People, ISports
        {
            public void FineTradition()
            {
                Console.WriteLine("自古以来，中华民族就保持着勤劳的优良传统。");
            }
            public override void Greeting()
            {
                Console.WriteLine("吃饭了没？");
            }

            public void Pingpong()
            {
                Console.WriteLine("乒乓球是中国的国球。");
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 泛型约束：接口约束
            Chinese chinese = new Chinese()
            {
                Name = "中国人"
            };
            GetSportsByInterface(chinese);
            Console.Read();
            #endregion
        }

        /// <summary>
        /// 接口约束
        /// </summary>
        /// <typeparam name="T"></typeparam>
        /// <param name="t"></param>
        /// <returns></returns>
        public static T GetSportsByInterface<T>(T t) where T : ISports
        {
            t.Pingpong();
            return t;
        }
    }

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运行结果如下：

7.3引用类型约束 class

引用类型约束保证T一定是引用类型的。

下面代码演示引用类型约束：

    class Program
    {
        /// <summary>
        /// 运动类接口
        /// </summary>
        public interface ISports
        {
            void Pingpong();
        }

        /// <summary>
        /// 人类基类
        /// </summary>
        public class People
        {
            public string Name { get; set; }

            public virtual void Greeting()
            {
                Console.WriteLine("Hello World.");
            }
        }

        /// <summary>
        /// 中国人
        /// </summary>
        public class Chinese : People, ISports
        {
            public void FineTradition()
            {
                Console.WriteLine("自古以来，中华民族就保持着勤劳的优良传统。");
            }
            public override void Greeting()
            {
                Console.WriteLine("吃饭了没？");
            }

            public void Pingpong()
            {
                Console.WriteLine("乒乓球是中国的国球。");
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 泛型约束：引用类型约束
            Chinese chinese = new Chinese()
            {
                Name = "中国人"
            };
            GetSportsByClass(chinese);
            Console.Read();
            #endregion
        }

        /// <summary>
        /// 引用类型约束
        /// </summary>
        /// <typeparam name="T"></typeparam>
        /// <param name="t"></param>
        /// <returns></returns>
        public static T GetSportsByClass<T>(T t) where T : class
        {
            if (t is ISports)
            {
                (t as ISports).Pingpong();
            }
            return t;
        }
    }

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运行结果如下：

7.4值类型约束 struct

值类型约束保证T一定是值类型的。

下面代码演示值类型约束：

    class Program
    {
        /// <summary>
        /// 绩效工资
        /// </summary>
        public struct Achievement
        {
            public double MeritPay { get; set; }
            public string Level { get; set; }
            public double ReallyPay()
            {
                switch (Level)
                {
                    case "A":
                        MeritPay = MeritPay * 1.0;
                        break;
                    case "B":
                        MeritPay = MeritPay * 0.8;
                        break;
                    case "C":
                        MeritPay = MeritPay * 0.6;
                        break;
                    case "D":
                        MeritPay = 0;
                        break;
                    default:
                        MeritPay = 0;
                        break;
                };
                return MeritPay;
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 泛型约束：值类型约束
            Achievement achievement = new Achievement
            {
                MeritPay = 500,
                Level = "B"
            };
            var result = GetReallyPay(achievement).ReallyPay();
            Console.WriteLine($"ReallyPay={result}");
            Console.Read();
            #endregion
        }

        /// <summary>
        /// 值类型约束
        /// </summary>
        /// <typeparam name="T"></typeparam>
        /// <param name="t"></param>
        /// <returns></returns>
        public static T GetReallyPay<T>(T t) where T : struct
        {
            return t;
        }
    }

View Code

运行结果如下：

7.5无参数构造函数约束 new()

下面代码演示无参数构造函数约束：

    class Program
    {
        /// <summary>
        /// 运动类接口
        /// </summary>
        public interface ISports
        {
            void Pingpong();
        }

        /// <summary>
        /// 人类基类
        /// </summary>
        public class People
        {
            public string Name { get; set; }

            public virtual void Greeting()
            {
                Console.WriteLine("Hello World.");
            }
        }

        /// <summary>
        /// 中国人
        /// </summary>
        public class Chinese : People, ISports
        {
            public void FineTradition()
            {
                Console.WriteLine("自古以来，中华民族就保持着勤劳的优良传统。");
            }
            public override void Greeting()
            {
                Console.WriteLine("吃饭了没？");
            }

            public void Pingpong()
            {
                Console.WriteLine("乒乓球是中国的国球。");
            }
        }

        /// <summary>
        /// 广东人
        /// </summary>
        public class Guangdong : Chinese
        {
            public Guangdong() { }
            public string Dialect { get; set; }
            public void Mahjong()
            {
                Console.WriteLine("这麻将上瘾的时候，一个人也说是三缺一呀。");
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 泛型约束：无参数构造函数约束
            Guangdong guangdong = new Guangdong()
            {
                Name = "广东人"
            };
            GetMahjong(guangdong);
            Console.Read();
            #endregion
        }

        /// <summary>
        /// 无参数构造函数约束
        /// </summary>
        /// <typeparam name="T"></typeparam>
        /// <param name="t"></param>
        /// <returns></returns>
        public static T GetMahjong<T>(T t) where T : People, ISports, new()
        {
            if (t is Guangdong)
            {
                (t as Guangdong).Mahjong();
            }
            return t;
        }
    }

View Code

运行结果如下：

从上面可以看出，泛型约束可以有多个，但是有多个泛型约束时，new()约束要放到最后。

八：泛型的协变和逆变

协变和逆变是在.NET 4.0的时候出现的，只能放在接口或者委托的泛型参数前面，out协变covariant，用来修饰返回值；in：逆变contravariant，用来修饰

传入参数。

下面代码演示父类与子类的声明方式：

    class Program
    {
        /// <summary>
        /// 动物基类
        /// </summary>
        public class Animal
        {
            public int Breed { get; set; }
        }

        /// <summary>
        /// 猫类
        /// </summary>
        public class Cat : Animal
        {
            public string Name { get; set; }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 泛型的协变和逆变
            //直接声明Animal类
            Animal animal = new Animal();
            //直接声明Cat类
            Cat cat = new Cat();
            //声明子类对象指向父类
            Animal animal2 = new Cat();
            //声明Animal类的集合
            List<Animal> listAnimal = new List<Animal>();
            //声明Cat类的集合
            List<Cat> listCat = new List<Cat>();
            #endregion
        }
    }

View Code

以上代码是可以正常运行的。假如使用下面的声明方式，是否正确呢？

List<Animal> list = new List<Cat>();

答案是错误的，因为List<Animal>和List<Cat>之间没有父子关系。

解决方法是使用协变的方式：

IEnumerable<Animal> List1 = new List<Animal>();
IEnumerable<Animal> List2 = new List<Cat>();

按F12查看IEnumerable定义：

可以看到，在泛型接口的T前面有一个out关键字修饰，而且T只能是返回值类型，不能作为参数类型，这就是协变。使用协变以后，左边声明的是基类，

右边的声明可以是基类或者基类的子类。

协变除了可以用在接口上面外，还可以用在委托上面：

Func<Animal> func = new Func<Cat>(() => null);

除了使用.NET框架定义好协变以外，我们也可以自定义协变：

//使用自定义协变
ICustomerListOut<Animal> customerList1 = new CustomerListOut<Animal>();
ICustomerListOut<Animal> customerList2 = new CustomerListOut<Cat>();

再来看看逆变：

在泛型接口的T前面有一个In关键字修饰，而且T只能方法参数，不能作为返回值类型，这就是逆变。

/// <summary>
/// 逆变 只能是方法参数
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
public interface ICustomerListIn<in T>
{
     void Show(T t);
}

public class CustomerListIn<T> : ICustomerListIn<T>
{
     public void Show(T t)
     {
     }
}

View Code

使用自定义逆变：

//使用自定义逆变
ICustomerListIn<Cat> customerListCat1 = new CustomerListIn<Cat>();
ICustomerListIn<Cat> customerListCat2 = new CustomerListIn<Animal>();

协变和逆变也可以同时使用。

下面代码演示自定义协变与逆变：

    class Program
    {
        /// <summary>
        /// 动物基类
        /// </summary>
        public class Animal
        {
            public int Breed { get; set; }
        }

        /// <summary>
        /// 猫类
        /// </summary>
        public class Cat : Animal
        {
            public string Name { get; set; }
        }

        #region 泛型的自定义协变和逆变
        /// <summary>
        /// inT-逆变 outT-协变
        /// </summary>
        /// <typeparam name="inT"></typeparam>
        /// <typeparam name="outT"></typeparam>
        public interface IMyList<in inT, out outT>
        {
            void Show(inT t);
            outT Get();
            outT Do(inT t);
        }

        public class MyList<T1, T2> : IMyList<T1, T2>
        {

            public void Show(T1 t)
            {
                Console.WriteLine(t.GetType().Name);
            }

            public T2 Get()
            {
                Console.WriteLine(typeof(T2).Name);
                return default(T2);
            }

            public T2 Do(T1 t)
            {
                Console.WriteLine(t.GetType().Name);
                Console.WriteLine(typeof(T2).Name);
                return default(T2);
            }
        }
        #endregion

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 泛型的自定义协变与逆变
            IMyList<Cat, Animal> myList1 = new MyList<Cat, Animal>();
            IMyList<Cat, Animal> myList2 = new MyList<Cat, Cat>();          //协变
            IMyList<Cat, Animal> myList3 = new MyList<Animal, Animal>();    //逆变
            IMyList<Cat, Animal> myList4 = new MyList<Animal, Cat>();       //逆变+协变
            myList1.Get();
            myList2.Get();
            myList3.Get();
            myList4.Get();
            Console.Read();
            #endregion
        }
    }

View Code

运行结果如下：

九、泛型缓存

类中的静态类型无论实例化多少次，在内存中只会有一个，静态构造函数只会执行一次。在泛型类中，T类型不同，每个不同的T类型，都会产生一个不同

的副本，所以会产生不同的静态属性、不同的静态构造函数。

下面代码演示泛型缓存：

    class Program
    {
        /// <summary>
        /// 泛型缓存
        /// </summary>
        /// <typeparam name="T"></typeparam>
        public class GenericCache<T>
        {
            private static readonly string TypeTime = "";
            static GenericCache()
            {
                Console.WriteLine("这个是泛型缓存的静态构造函数：");
                TypeTime = string.Format("{0}_{1}", typeof(T).FullName, DateTime.Now.ToString("yyyyMMddHHmmss.fff"));
            }
            public static string GetCache()
            {
                return TypeTime;
            }
        }

        /// <summary>
        /// 泛型缓存测试类
        /// </summary>
        public class GenericCacheTest
        {
            public static void Show()
            {
                for (int i = 0; i < 5; i++)
                {
                    Console.WriteLine(GenericCache<int>.GetCache());
                    Thread.Sleep(10);
                    Console.WriteLine(GenericCache<long>.GetCache());
                    Thread.Sleep(10);
                    Console.WriteLine(GenericCache<DateTime>.GetCache());
                    Thread.Sleep(10);
                    Console.WriteLine(GenericCache<string>.GetCache());
                    Thread.Sleep(10);
                    Console.WriteLine(GenericCache<GenericCacheTest>.GetCache());
                    Thread.Sleep(10);
                }
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 泛型缓存
            GenericCacheTest.Show();
            Console.Read();
            #endregion
        }
    }

View Code

运行结果如下：

从上面的截图中可以看出，泛型会为不同的类型都创建一个副本，因此静态构造函数会执行5次，另外每次静态属性的值都是一样的。利用泛型的这一特性，可以实现缓存。

注：只能为不同的类型缓存一次；泛型缓存比字典缓存效率高；泛型缓存不能主动释放。

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