C# 理解泛型 出处：http://www.ondotnet.com/pub/a/dotnet/2004/05/17/liberty.html 术语表 generics：泛型 type-safe：类型安全 collection: 集合 compiler：编译器 run time：程序运行时 object: 对象 .NET library：.Net类库 value type: 值类型 box: 装箱 unbox: 拆箱 implicity: 隐式 explicity: 显式 linked list: 线性链表 node: 结点 indexer: 索引器 简介 Visual C# 2.0 的一个最受期待的(或许也是最让人畏惧)的一个特性就是对于泛型的支持。这篇文章将告诉你泛型用来解决什么样的问题，以及如何使用它们来提高你的代码质量，还有你不必恐惧泛型的原因。 泛型是什么？ 很多人觉得泛型很难理解。我相信这是因为他们通常在了解泛型是用来解决什么问题之前，就被灌输了大量的理论和范例。结果就是你有了一个解决方案，但是却没有需要使用这个解决方案的问题。 这篇文章将尝试着改变这种学习流程，我们将以一个简单的问题作为开始：泛型是用来做什么的？答案是：没有泛型，将会很难创建类型安全的集合。 C# 是一个类型安全的语言，类型安全允许编译器(可信赖地)捕获潜在的错误，而不是在程序运行时才发现(不可信赖地，往往发生在你将产品出售了以后！)。因此，在C#中，所有的变量都有一个定义了的类型；当你将一个对象赋值给那个变量的时候，编译器检查这个赋值是否正确，如果有问题，将会给出错误信息。 在 .Net 1.1 版本(2003)中，当你在使用集合时，这种类型安全就失效了。由.Net 类库提供的所有关于集合的类全是用来存储基类型(Object)的，而.Net中所有的一切都是由Object基类继承下来的，因此所有类型都可以放到一个集合中。于是，相当于根本就没有了类型检测。 更糟的是，每一次你从集合中取出一个Object，你都必须将它强制转换成正确的类型，这一转换将对性能造成影响，并且产生冗长的代码(如果你忘了进行转换，将会抛出异常)。更进一步地讲，如果你给集合中添加一个值类型(比如，一个整型变量)，这个整型变量就被隐式地装箱了(再一次降低了性能)，而当你从集合中取出它的时候，又会进行一次显式地拆箱(又一次性能的降低和类型转换)。 关于装箱、拆箱的更多内容，请访问 陷阱4，警惕隐式的装箱、拆箱。 创建一个简单的线性链表 为了生动地感受一下这些问题，我们将创建一个尽可能简单的线性链表。对于阅读本文的那些从未创建过线性链表的人。你可以将线性链表想像成有一条链子栓在一起的盒子(称作一个结点)，每个盒子里包含着一些数据 和 链接到这个链子上的下一个盒子的引用(当然，除了最后一个盒子，这个盒子对于下一个盒子的引用被设置成NULL)。 为了创建我们的简单线性链表，我们需要下面三个类： 1、Node 类，包含数据以及下一个Node的引用。 2、LinkedList 类，包含链表中的第一个Node，以及关于链表的任何附加信息。 3、测试程序，用于测试 LinkedList 类。 为了查看链接表如何运作，我们添加Objects的两种类型到链表中：整型 和 Employee类型。你可以将Employee类型想象成一个包含关于公司中某一个员工所有信息的类。出于演示的目的，Employee类非常的简单。 public class Employee{ private string name; public Employee (string name){ this.name = name; } public override string ToString(){ return this.name; } } 这个类仅包含一个表示员工名字的字符串类型，一个设置员工名字的构造函数，一个返回Employee名字的ToString()方法。 链接表本身是由很多的Node构成，这些Note，如上面所说，必须包含数据(整型 和 Employee)和链表中下一个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; } } } 注意构造函数将私有的数据成员设置成传递进来的对象，并且将 next 字段设置成null。 这个类还包括一个方法，Append，这个方法接受一个Node类型的参数，我们将把传递进来的Node添加到列表中的最后位置。这过程是这样的：首先检测当前Node的next字段，看它是不是null。如果是，那么当前Node就是最后一个Node，我们将当前Node的next属性指向传递进来的新结点，这样，我们就把新Node插入到了链表的尾部。 如果当前Node的next字段不是null，说明当前node不是链表中的最后一个node。因为next字段的类型也是node，所以我们调用next字段的Append方法(注：递归调用)，再一次传递Node参数，这样继续下去，直到找到最后一个Node为止。 public void Append(Node newNode){ if ( this.next == null ){ this.next = newNode; }else{ next.Append(newNode); } } Node 类中的 ToString() 方法也被覆盖了，用于输出 data 中的值，并且调用下一个 Node 的 ToString()方法(译注：再一次递归调用)。 public override string ToString(){ string output = data.ToString(); if ( next != null ){ output += ", " + next.ToString(); } return output; } 这样，当你调用第一个Node的ToString()方法时，将打印出所有链表上Node的值。 LinkedList 类本身只包含对一个Node的引用，这个Node称作 HeadNode，是链表中的第一个Node，初始化为null。 public class LinkedList{ Node headNode = null; } LinkedList 类不需要构造函数(使用编译器创建的默认构造函数)，但是我们需要创建一个公共方法，Add()，这个方法把 data存储到线性链表中。这个方法首先检查headNode是不是null，如果是，它将使用data创建结点，并将这个结点作为headNode，如果不是null，它将创建一个新的包含data的结点，并调用headNode的Append方法，如下面的代码所示： public void Add(Object data){ if ( headNode == null ){ headNode = new Node(data); }else{ headNode.Append(new Node(data)); } } 为了提供一点集合的感觉，我们为线性链表创建一个索引器。 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()方法再一次被覆盖，用以调用headNode的ToString()方法。 public override string ToString(){ if ( this.headNode != null ){ return this.headNode.ToString(); }else{ return string.Empty; } } 测试线性链表 我们可以添加一些整型值到链表中进行测试： 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..."); } 如果你对这段代码进行测试，它会如预计的那样工作： 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Done. Adding employees... 然而，因为这是一个Object类型的集合，所以你同样可以将Employee类型添加到集合中。 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."); 输出的结果证实了，整型值和Employee类型都被存储在了同一个集合中。 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. 虽然看上去这样很方便，但是负面影响是，你失去了所有类型安全的特性。因为线性链表需要的是一个Object类型，每一个添加到集合中的整型值都被隐式装箱了，如同 IL 代码所示： IL_000c: box [mscorlib]System.Int32 IL_0011: callvirt instance void ObjectLinkedList.LinkedList::Add(object) 同样，如果上面所说，当你从你的列表中取出项目的时候，这些整型必须被显式地拆箱(强制转换成整型)，Employee类型必须被强制转换成 Employee类型。 Console.WriteLine("The fourth integer is " + Convert.ToInt32(ll[3])); Employee d = (Employee) ll[11]; Console.WriteLine("The second Employee is " + d); 这些问题的解决方案是创建一个类型安全的集合。一个 Employee 线性链表将不能接受 Object 类型；它只接受 Employee类的实例(或者继承自Employee类的实例)。这样将会是类型安全的，并且不再需要类型转换。一个 整型的 线性链表，这个链表将不再需要装箱和拆箱的操作(因为它只能接受整型值)。 作为示例，你将创建一个 EmployeeNode，该结点知道它的data的类型是Employee。 public class EmployeeNode { Employee employeedata; EmployeeNode employeeNext; } Append 方法现在接受一个 EmployeeNode 类型的参数。你同样需要创建一个新的 EmployeeLinkedList ，这个链表接受一个新的 EmployeeNode： public class EmployeeLinkedList{ EmployeeNode headNode = null; } EmployeeLinkedList.Add()方法不再接受一个 Object，而是接受一个Employee： public void Add(Employee data){ if ( headNode == null ){ headNode = new EmployeeNode(data);} else{ headNode.Append(new EmployeeNode(data)); } } 类似的，索引器必须被修改成接受 EmployeeNode 类型，等等。这样确实解决了装箱、拆箱的问题，并且加入了类型安全的特性。你现在可以添加Employee(但不是整型)到你新的线性链表中了，并且当你从中取出Employee的时候，不再需要类型转换了。 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); 这样多好啊，当有一个整型试图隐式地转换到Employee类型时，代码甚至连编译器都不能通过！ 但它不好的地方是：每次你需要创建一个类型安全的列表时，你都需要做很多的复制/粘贴 。一点也不够好，一点也没有代码重用。同时，如果你是这个类的作者，你甚至不能提前欲知这个链接列表所应该接受的类型是什么，所以，你不得不将添加类型安全这一机制的工作交给类的使用者---你的用户。 使用泛型来达到代码重用 解决方案，如同你所猜想的那样，就是使用泛型。通过泛型，你重新获得了链接列表的 代码通用(对于所有类型只用实现一次)，而当你初始化链表的时候你告诉链表所能接受的类型。这个实现是非常简单的，让我们重新回到Node类： public class Node{ Object data; ... 注意到 data 的类型是Object，(在EmployeeNode中，它是Employee)。我们将把它变成一个泛型(通常，由一个大写的T代表)。我们同样定义Node类，表示它可以被泛型化，以接受一个T类型。 public class Node <T>{ T data; ... 读作：T类型的Node。T代表了当Node被初始化时，Node所接受的类型。T可以是Object，也可能是整型或者是Employee。这个在Node被初始化的时候才能确定。 注意：使用T作为标识只是一种约定俗成，你可以使用其他的字母组合来代替，比如这样： public class Node <UnknownType>{ UnknownType data; ... 通过使用T作为未知类型，next字段(下一个结点的引用)必须被声明为T类型的Node(意思是说接受一个T类型的泛型化Node)。 Node<T> next; 构造函数接受一个T类型的简单参数： public Node(T data) { this.data = data; this.next = null; } Node 类的其余部分是很简单的，所有你需要使用Object的地方，你现在都需要使用T。LinkedList 类现在接受一个 T类型的Node，而不是一个简单的Node作为头结点。 public class LinkedList<T>{ Node<T> headNode = null; 再来一遍，转换是很直白的。任何地方你需要使用Object的，现在改做T，任何需要使用Node的地方，现在改做 Node<T>。下面的代码初始化了两个链接表。一个是整型的。 LinkedList<int> ll = new LinkedList<int>(); 另一个是Employee类型的： LinkedList<Employee> employees = new LinkedList<Employee>(); 剩下的代码与第一个版本没有区别，除了没有装箱、拆箱，而且也不可能将错误的类型保存到集合中。 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); 泛型允许你不用复制/粘贴冗长的代码就实现类型安全的集合。而且，因为泛型是在运行时才被扩展成特殊类型。Just In Time编译器可以在不同的实例之间共享代码，最后，它显著地减少了你需要编写的代码。