淺談C#泛型的用處

為什麼要使用C#泛型?

為了了解這個問題，我們先看下面的程式碼，程式碼省略了一些內容，但功能是實作一個棧，這個棧只能處理int資料型別：

public class Stack      { PRivate int[] m_item;          public int Pop(){...}          public void Push(int item){               this.m_item = new int[i];          }  } 以上碼執行的很好，但是，當我們需要一個堆疊來保存string類型時，該怎麼辦呢？很多人都會想到把上面的程式碼複製一份，把int改成string不就行了。當然，這樣做本身是沒有任何問題的，但一個優秀的程式是不會這樣做的，因為他想到若以後再需要long、Node類型的棧該怎麼做呢？還要再複製嗎？優秀的程式設計師會想到用一個通用的資料型別object來實現這個堆疊：

public class Stack      {          private      public void Push(object item){.. .}          public Stack(int i)          {             } 這個棧寫的不錯，他非常靈活，可以接收任何資料類型，可以說是一勞永逸。但全面地講，也不是沒有缺陷的，主要表現在：

當Stack處理值類型時，會出現裝箱、折箱操作，這將在託管堆上分配和回收大量的變量，若數據量大，則性能損失非常嚴重。 

在處理引用類型時，雖然沒有裝箱和折箱操作，但將用到資料型別的強制轉換操作，增加處理器的負擔。

在數據類型的強制轉換上還有更嚴重的問題（假設stack是Stack的一個實例）：

Node1 x = new Node1();              stack.Push(x);           Node2 y = (Node2)stack. Pop(); 上面的程式碼在編譯時是完全沒問題的，但由於Push了一個Node1類型的數據，但在Pop時卻要求轉換為Node2類型，這將出現程式運行時的類型轉換異常，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，他可以優雅地解決這些問題。泛型用用一個通過的資料類型T來取代object，在類別實例化時指定T的類型，運行時（Runtime）自動編譯為本地程式碼，運行效率和程式碼品質都有很大提高，並且保證資料類型安全。

使用C#泛型

下面是用泛型來重寫上面的棧，用一個通用的資料型別T來作為一個佔位符，等待在實例化時用一個實際的型別來代替。讓我們來看看泛型的威力：

public class Stack      {          private T[] m_item    item){...}          public Stack(int i) {              this.m_item = new T[i];          this.m_item = new T[i];              }  } 類別的寫法不變，只是引入了通用資料類型T這個類別的呼叫方法：

//實例化只能保存int類型的類別  Stack a = new Stack(100);        a.Push(10);        a.Push("8888"); //這一行中只接收未接收，因為類別的編譯類型的資料        int x = a.Pop();  //實例化只能保存string類型的類別  Stack b = new Stack(100);  b.Push(10)    //此行編譯不通過，因為此行編譯只接收string類型的資料        b.Push("8888");  string y = b.Pop(); 這個類別和object實現的類別有截然不同的差異：

1. 他是類型安全的。實例化了int型別的棧，就不能處理string類型的數據，其他資料型別也一樣。

2.無需裝箱和折箱。這個類別在實例化時，按照所傳入的資料類型產生本地代碼，本地代碼資料類型已確定，所以無需裝箱和折箱。

3. 無需型別轉換。

理論知識：

所謂泛型：即透過參數化類型來實現在同一份程式碼上操作多種資料型別。泛型程式設計是一種程式設計範式，它利用「參數化類型」將類型抽象化，從而實現更靈活的複用。

C#泛型賦予了程式碼更強的型別安全，更好的複用，更高的效率，更清晰的限制。

C#泛型能力由CLR在運行時支持，區別於C++的編譯時模板機制，和java的編譯時的「搽拭法」。這使得泛型能力可以在各個支援CLR的語言之間進行無縫的互通。

C#泛型程式碼在被編譯為IL和元資料時，採用特殊的佔位符來表示泛型類型，並用專有的IL指令支援泛型運算。而真正的泛型實例化工作以「on-demand」的方式，發生在JIT編譯時。

C#泛型編譯機制如下：

第一輪編譯時，編譯器只為Stack類型產生「泛型版」的IL程式碼和元數據，並不進行泛型類型的實例化，T在中間只充當佔位符。

JIT編譯時，當JIT編譯器第一次遇到Stack時，將以int型別取代「泛型版」IL程式碼與元資料中的T -- 進行泛型類型的實例化。

CLR為所有類型參數為“引用類型”的泛型類型產生同一份代碼，但如果類型參數為“值類型”，對每一個不同的“值類型”，CLR將為其產生一份獨立的代碼。

C#泛型的幾個特點

如果實例化泛型類型的參數相同，那麼JIT編譯器會重複使用該類型，因此C#的動態泛型能力避免了C++靜態模板可能導致的程式碼膨脹的問題。

C#泛型類型攜帶有豐富的元數據，因此C#的泛型類型可以應用於強大的反射技術。

C#的泛型採用“基類、接口、構造器、值類型/引用類型”的約束方式來實現對類型參數的“顯示約束”，提高了類型安全的同時，也喪失了C++模板基於“簽名」的隱式約束所具有的高彈性。

C#泛型類別在編譯時，先生成中間程式碼IL，通用型別T只是一個佔位符。在實例化類別時，根據使用者指定的資料類型取代T並由即時編譯器（JIT）產生本地程式碼，這個本地程式碼中已經使用了實際的資料類型，等同於用實際類型寫的類，所以不同的封閉類別的本地代碼是不一樣的。依照這個原理，我們可以這樣認為：泛型類別的不同的封閉類別是分別不同的資料類型。

這樣泛型不僅更靈活，也同時將程式碼的簡單和提升到一個層次！不用再為具體不同的重載方法寫出具體的程式碼了！

C# 泛型是開發工具庫中的一個無價之寶。它們可以提高效能、類型安全性和質量，減少重複性的程式設計任務，簡化整體程式設計模型，而這一切都是透過優雅的、可讀性強的語法完成的。儘管 C# 泛型的根基是 C++ 模板，但 C# 透過提供編譯時安全性和支援將泛型提高到了一個新水平。 C# 利用了兩階段編譯、元資料以及諸如約束和一般方法之類的創新性的概念。毫無疑問，C# 的將來版本將繼續發展泛型，以便添加新的功能，並且將泛型擴展到諸如數據訪問或本地化之類的其他.NET Framework 領域.

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