C#泛型的使用及示例詳解

更新時間：2021年08月16日 16:04:09 作者：.NET開發(fā)菜鳥

這篇文章主要介紹了C#泛型的使用及示例,本文通過例子個大家介紹的非常詳細，對大家的學習或工作具有一定的參考借鑒價值，需要的朋友可以參考下

一、什么是泛型

泛型是C#2.0推出的新語法，不是語法糖，而是2.0由框架升級提供的功能。

我們在編程程序時，經(jīng)常會遇到功能非常相似的模塊，只是它們處理的數(shù)據(jù)不一樣。但我們沒有辦法，只能分別寫多個方法來處理不同的數(shù)據(jù)類型。這個時候，那么問題來了，有沒有一種辦法，用同一個方法來處理傳入不同種類型參數(shù)的辦法呢？泛型的出現(xiàn)就是專門來解決這個問題的。

二、為什么使用泛型

先來看下面一個例子：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyGeneric
{
    public class CommonMethod
    {
        /// <summary>
        /// 打印個int值
        /// </summary>
        /// <param name="iParameter"></param>
        public static void ShowInt(int iParameter)
        {
            Console.WriteLine("This is {0},parameter={1},type={2}",
                typeof(CommonMethod).Name, iParameter.GetType().Name, iParameter);
        }

        /// <summary>
        /// 打印個string值
        /// </summary>
        /// <param name="sParameter"></param>
        public static void ShowString(string sParameter)
        {
            Console.WriteLine("This is {0},parameter={1},type={2}",
                typeof(CommonMethod).Name, sParameter.GetType().Name, sParameter);
        }

        /// <summary>
        /// 打印個DateTime值
        /// </summary>
        /// <param name="oParameter"></param>
        public static void ShowDateTime(DateTime dtParameter)
        {
            Console.WriteLine("This is {0},parameter={1},type={2}",
                typeof(CommonMethod).Name, dtParameter.GetType().Name, dtParameter);
        }
    }
}

結(jié)果：

從上面的結(jié)果中我們可以看出這三個方法，除了傳入的參數(shù)不同外，其里面實現(xiàn)的功能都是一樣的。在1.0版的時候，還沒有泛型這個概念，那么怎么辦呢。相信很多人會想到了OOP三大特性之一的繼承，我們知道，C#語言中，object是所有類型的基類，將上面的代碼進行以下優(yōu)化：

public static void ShowObject(object oParameter)
{
      Console.WriteLine("This is {0},parameter={1},type={2}",
         typeof(CommonMethod), oParameter.GetType().Name, oParameter);
}

結(jié)果：

從上面的結(jié)果中我們可以看出，使用Object類型達到了我們的要求，解決了代碼的可復用?？赡苡腥藭柖x的是object類型的，為什么可以傳入int、string等類型呢？原因有二：

1、object類型是一切類型的父類。

2、通過繼承，子類擁有父類的一切屬性和行為，任何父類出現(xiàn)的地方，都可以用子類來代替。

但是上面object類型的方法又會帶來另外一個問題：裝箱和拆箱，會損耗程序的性能。

微軟在C#2.0的時候推出了泛型，可以很好的解決上面的問題。

三、泛型類型參數(shù)

在泛型類型或方法定義中，類型參數(shù)是在其實例化泛型類型的一個變量時，客戶端指定的特定類型的占位符。泛型類(GenericList<T>)無法按原樣使用，因為它不是真正的類型；它更像是類型的藍圖。若要使用GenericList<T>，客戶端代碼必須通過指定尖括號內(nèi)的類型參數(shù)來聲明并實例化構(gòu)造類型。此特定類的類型參數(shù)可以是編譯器可識別的任何類型。可創(chuàng)建任意數(shù)量的構(gòu)造類型實例，其中每個使用不同的類型參數(shù)。

上面例子中的代碼可以修改如下：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyGeneric
{
    public class GenericMethod
    {
        /// <summary>
        /// 泛型方法
        /// </summary>
        /// <typeparam name="T"></typeparam>
        /// <param name="tParameter"></param>
        public static void Show<T>(T tParameter)
        {
            Console.WriteLine("This is {0},parameter={1},type={2}",
                typeof(GenericMethod), tParameter.GetType().Name, tParameter.ToString());
        }
    }
}

調(diào)用：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyGeneric
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {

            int iValue = 123;
            string sValue = "456";
            DateTime dtValue = DateTime.Now;

            Console.WriteLine("***********CommonMethod***************");
            CommonMethod.ShowInt(iValue);
            CommonMethod.ShowString(sValue);
            CommonMethod.ShowDateTime(dtValue);
            Console.WriteLine("***********Object***************");
            CommonMethod.ShowObject(iValue);
            CommonMethod.ShowObject(sValue);
            CommonMethod.ShowObject(dtValue);
            Console.WriteLine("***********Generic***************");
            GenericMethod.Show<int>(iValue);
            GenericMethod.Show<string>(sValue);
            GenericMethod.Show<DateTime>(dtValue);
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

顯示結(jié)果：

為什么泛型可以解決上面的問題呢？

泛型是延遲聲明的：即定義的時候沒有指定具體的參數(shù)類型，把參數(shù)類型的聲明推遲到了調(diào)用的時候才指定參數(shù)類型。延遲思想在程序架構(gòu)設(shè)計的時候很受歡迎。例如：分布式緩存隊列、EF的延遲加載等等。

泛型究竟是如何工作的呢？

控制臺程序最終會編譯成一個exe程序，exe被點擊的時候，會經(jīng)過JIT(即時編譯器)的編譯，最終生成二進制代碼，才能被計算機執(zhí)行。泛型加入到語法以后，VS自帶的編譯器又做了升級，升級之后編譯時遇到泛型，會做特殊的處理：生成占位符。再次經(jīng)過JIT編譯的時候，會把上面編譯生成的占位符替換成具體的數(shù)據(jù)類型。請看下面一個例子：

Console.WriteLine(typeof(List<>));
Console.WriteLine(typeof(Dictionary<,>));

結(jié)果：

從上面的截圖中可以看出：泛型在編譯之后會生成占位符。

注意：占位符需要在英文輸入法狀態(tài)下才能輸入，只需要按一次波浪線(數(shù)字1左邊的鍵位)的鍵位即可，不需要按Shift鍵。

1、泛型性能問題

請看一下的一個例子，比較普通方法、Object參數(shù)類型的方法、泛型方法的性能。

添加一個Monitor類，讓三種方法執(zhí)行同樣的操作，比較用時長短：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyGeneric
{
    public class Monitor
    {
        public static void Show()
        {
            Console.WriteLine("****************Monitor******************");
            {
                int iValue = 12345;
                long commonSecond = 0;
                long objectSecond = 0;
                long genericSecond = 0;

                {
                    Stopwatch watch = new Stopwatch();
                    watch.Start();
                    for (int i = 0; i < 100000000; i++)
                    {
                        ShowInt(iValue);
                    }
                    watch.Stop();
                    commonSecond = watch.ElapsedMilliseconds;
                }
                {
                    Stopwatch watch = new Stopwatch();
                    watch.Start();
                    for (int i = 0; i < 100000000; i++)
                    {
                        ShowObject(iValue);
                    }
                    watch.Stop();
                    objectSecond = watch.ElapsedMilliseconds;
                }
                {
                    Stopwatch watch = new Stopwatch();
                    watch.Start();
                    for (int i = 0; i < 100000000; i++)
                    {
                        Show<int>(iValue);
                    }
                    watch.Stop();
                    genericSecond = watch.ElapsedMilliseconds;
                }
                Console.WriteLine("commonSecond={0},objectSecond={1},genericSecond={2}"
                    , commonSecond, objectSecond, genericSecond);
            }
        }

        #region PrivateMethod
        private static void ShowInt(int iParameter)
        {
            //do nothing
        }
        private static void ShowObject(object oParameter)
        {
            //do nothing
        }
        private static void Show<T>(T tParameter)
        {
            //do nothing
        }
        #endregion

    }
}

Main()方法調(diào)用：

Monitor.Show();

結(jié)果：

從結(jié)果中可以看出：泛型方法的性能最高，其次是普通方法，object方法的性能最低。

四、泛型類

除了方法可以是泛型以外，類也可以是泛型的，例如：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyGeneric
{
    /// <summary>
    /// 泛型類
    /// </summary>
    /// <typeparam name="T"></typeparam>
    public class GenericClass<T>
    {
        public T _T;
    }
}

Main()方法中調(diào)用：

// T是int類型
GenericClass<int> genericInt = new GenericClass<int>();
genericInt._T = 123;
// T是string類型
GenericClass<string> genericString = new GenericClass<string>();
genericString._T = "123";

除了可以有泛型類，也可以有泛型接口，例如：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyGeneric
{
    /// <summary>
    /// 泛型接口
    /// </summary>
    public interface IGenericInterface<T>
    {
        //泛型類型的返回值
        T GetT(T t);
    }
}

也可以有泛型委托：

public delegate void SayHi<T>(T t);//泛型委托

注意：

1、泛型在聲明的時候可以不指定具體的類型，但是在使用的時候必須指定具體類型，例如：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyGeneric
{
    /// <summary>
    /// 使用泛型的時候必須指定具體類型，
    /// 這里的具體類型是int
    /// </summary>
    public class CommonClass :GenericClass<int>
    {
    }
}

如果子類也是泛型的，那么繼承的時候可以不指定具體類型，例如：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyGeneric
{
    /// <summary>
    /// 使用泛型的時候必須指定具體類型，
    /// 這里的具體類型是int
    /// </summary>
    public class CommonClass :GenericClass<int>
    {
    }

    /// <summary>
    /// 子類也是泛型的，繼承的時候可以不指定具體類型
    /// </summary>
    /// <typeparam name="T"></typeparam>
    public class CommonClassChild<T>:GenericClass<T>
    {

    }
}

2、類實現(xiàn)泛型接口也是這種情況，例如：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyGeneric
{
    /// <summary>
    /// 必須指定具體類型
    /// </summary>
    public class Common : IGenericInterface<string>
    {
        public string GetT(string t)
        {
            throw new NotImplementedException();
        }
    }

    /// <summary>
    /// 可以不知道具體類型，但是子類也必須是泛型的
    /// </summary>
    /// <typeparam name="T"></typeparam>
    public class CommonChild<T> : IGenericInterface<T>
    {
        public T GetT(T t)
        {
            throw new NotImplementedException();
        }
    }
}

五、泛型約束

先來看看下面的一個例子：

定義一個People類，里面有屬性和方法：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyGeneric
{
    public interface ISports
    {
        void Pingpang();
    }

    public interface IWork
    {
        void Work();
    }


    public class People
    {
        public int Id { get; set; }
        public string Name { get; set; }

        public void Hi()
        {
            Console.WriteLine("Hi");
        }
    }

    public class Chinese : People, ISports, IWork
    {
        public void Tradition()
        {
            Console.WriteLine("仁義禮智信，溫良恭儉讓");
        }
        public void SayHi()
        {
            Console.WriteLine("吃了么？");
        }

        public void Pingpang()
        {
            Console.WriteLine("打乒乓球...");
        }

        public void Work()
        {
            throw new NotImplementedException();
        }
    }

    public class Hubei : Chinese
    {
        public Hubei(int version)
        { }

        public string Changjiang { get; set; }
        public void Majiang()
        {
            Console.WriteLine("打麻將啦。。");
        }
    }


    public class Japanese : ISports
    {
        public int Id { get; set; }
        public string Name { get; set; }
        public void Hi()
        {
            Console.WriteLine("Hi");
        }
        public void Pingpang()
        {
            Console.WriteLine("打乒乓球...");
        }
    }
}

在Main()方法里面實例化：

People people = new People()
{
        Id = 123,
        Name = "走自己的路"
};
Chinese chinese = new Chinese()
{
        Id = 234,
        Name = "晴天"
};
Hubei hubei = new Hubei(123)
{
        Id = 345,
        Name = "流年"
};
Japanese japanese = new Japanese()
{
        Id = 7654,
        Name = "werwer"
};

這時有一個需求：需要打印出Id和Name屬性的值，將ShowObject()方法修改如下：

但是這樣修改報錯了：object類里面沒有Id和Name屬性，可能會有人說，強制類型轉(zhuǎn)換一下就行了?。?/p>

public static void ShowObject(object oParameter)
{
         Console.WriteLine("This is {0},parameter={1},type={2}",
         typeof(CommonMethod), oParameter.GetType().Name, oParameter);

         Console.WriteLine($"{((People)oParameter).Id}_{((People)oParameter).Name}");
}

這樣修改以后，代碼不會報錯了，這時我們在Main()方法里面調(diào)用：

CommonMethod.ShowObject(people);
 CommonMethod.ShowObject(chinese);
 CommonMethod.ShowObject(hubei);
 CommonMethod.ShowObject(japanese);

結(jié)果：

可以看出程序報錯了，因為Japanese沒有繼承自People，這里類型轉(zhuǎn)換的時候失敗了。這樣會造成類型不安全的問題。那么怎么解決類型不安全的問題呢？那就是使用泛型約束。

所謂的泛型約束，實際上就是約束的類型T。使T必須遵循一定的規(guī)則。比如T必須繼承自某個類，或者T必須實現(xiàn)某個接口等等。那么怎么給泛型指定約束？其實也很簡單，只需要where關(guān)鍵字，加上約束的條件。

泛型約束總共有五種。

約束	s說明
T：結(jié)構(gòu)	類型參數(shù)必須是值類型
T：類	類型參數(shù)必須是引用類型；這一點也適用于任何類、接口、委托或數(shù)組類型。
T：new()	類型參數(shù)必須具有無參數(shù)的公共構(gòu)造函數(shù)。當與其他約束一起使用時，new() 約束必須最后指定。
T：<基類名>	類型參數(shù)必須是指定的基類或派生自指定的基類。
T：<接口名稱>	類型參數(shù)必須是指定的接口或?qū)崿F(xiàn)指定的接口。可以指定多個接口約束。約束接口也可以是泛型的。

1、基類約束

上面打印的方法約束T類型必須是People類型。

/// <summary>
/// 基類約束：約束T必須是People類型或者是People的子類
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="tParameter"></param>
public static void Show<T>(T tParameter) where T : People
{
      Console.WriteLine($"{tParameter.Id}_{tParameter.Name}");
      tParameter.Hi();
}

注意：

基類約束時，基類不能是密封類，即不能是sealed類。sealed類表示該類不能被繼承，在這里用作約束就無任何意義，因為sealed類沒有子類。

2、接口約束

/// <summary>
/// 接口約束
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="t"></param>
/// <returns></returns>
public static T Get<T>(T t) where T : ISports
{
      t.Pingpang();
      return t;
}

3、引用類型約束 class

引用類型約束保證T一定是引用類型的。

/// <summary>
/// 引用類型約束
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="t"></param>
/// <returns></returns>
public static T Get<T>(T t) where T : class
{
      return t;
}

4、值類型約束 struct

值類型約束保證T一定是值類型的。

/// <summary>
/// 值類型類型約束
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="t"></param>
/// <returns></returns>
public static T Get<T>(T t) where T : struct
{
      return t;
}

5、無參數(shù)構(gòu)造函數(shù)約束 new()

/// <summary>
/// new()約束
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="t"></param>
/// <returns></returns>
public static T Get<T>(T t) where T : new()
{
     return t;
}

泛型約束也可以同時約束多個，例如：

public static void Show<T>(T tParameter)
            where T : People, ISports, IWork, new()
{
      Console.WriteLine($"{tParameter.Id}_{tParameter.Name}");
      tParameter.Hi();
      tParameter.Pingpang();
      tParameter.Work();
}

注意：有多個泛型約束時，new()約束一定是在最后。

六、泛型的協(xié)變和逆變

協(xié)變和逆變是在.NET 4.0的時候出現(xiàn)的，只能放在接口或者委托的泛型參數(shù)前面，out 協(xié)變covariant，用來修飾返回值；in：逆變contravariant，用來修飾傳入?yún)?shù)。

先看下面的一個例子：

定義一個Animal類：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyGeneric
{
    public class Animal
    {
        public int Id { get; set; }
    }
}

然后在定義一個Cat類繼承自Animal類：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyGeneric
{
    public class Cat :Animal
    {
        public string Name { get; set; }
    }
}

在Main()方法可以這樣調(diào)用：

// 直接聲明Animal類
Animal animal = new Animal();
// 直接聲明Cat類
Cat cat = new Cat();
// 聲明子類對象指向父類
Animal animal2 = new Cat();
// 聲明Animal類的集合
List<Animal> listAnimal = new List<Animal>();
// 聲明Cat類的集合
List<Cat> listCat = new List<Cat>();

那么問題來了：下面的一句代碼是不是正確的呢？

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

可能有人會認為是正確的：因為一只Cat屬于Animal，那么一群Cat也應該屬于Animal啊。但是實際上這樣聲明是錯誤的：因為List<Cat>和List<Animal>之間沒有父子關(guān)系。

這時就可以用到協(xié)變和逆變了。

// 協(xié)變
 IEnumerable<Animal> List1 = new List<Animal>();
IEnumerable<Animal> List2 = new List<Cat>();

F12查看定義：

可以看到，在泛型接口的T前面有一個out關(guān)鍵字修飾，而且T只能是返回值類型，不能作為參數(shù)類型，這就是協(xié)變。使用了協(xié)變以后，左邊聲明的是基類，右邊可以聲明基類或者基類的子類。

協(xié)變除了可以用在接口上面，也可以用在委托上面：

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

除了使用.NET框架定義好的以為，我們還可以自定義協(xié)變，例如：

/// <summary>
/// out 協(xié)變 只能是返回結(jié)果
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
public interface ICustomerListOut<out T>
{
     T Get();
}

public class CustomerListOut<T> : ICustomerListOut<T>
{
     public T Get()
     {
         return default(T);
     }
}

使用自定義的協(xié)變：

// 使用自定義協(xié)變
 ICustomerListOut<Animal> customerList1 = new CustomerListOut<Animal>();
 ICustomerListOut<Animal> customerList2 = new CustomerListOut<Cat>();

在來看看逆變。

在泛型接口的T前面有一個In關(guān)鍵字修飾，而且T只能方法參數(shù)，不能作為返回值類型，這就是逆變。請看下面的自定義逆變：

/// <summary>
/// 逆變 只能是方法參數(shù)
/// </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)
     {
     }
}

使用自定義逆變：

// 使用自定義逆變
ICustomerListIn<Cat> customerListCat1 = new CustomerListIn<Cat>();
 ICustomerListIn<Cat> customerListCat2 = new CustomerListIn<Animal>();

協(xié)變和逆變也可以同時使用，看看下面的例子：

/// <summary>
/// inT 逆變
/// outT 協(xié)變
/// </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);
       }
 }

使用：

IMyList<Cat, Animal> myList1 = new MyList<Cat, Animal>();
 IMyList<Cat, Animal> myList2 = new MyList<Cat, Cat>();//協(xié)變
 IMyList<Cat, Animal> myList3 = new MyList<Animal, Animal>();//逆變
IMyList<Cat, Animal> myList4 = new MyList<Animal, Cat>();//逆變+協(xié)變

七、泛型緩存

在前面我們學習過，類中的靜態(tài)類型無論實例化多少次，在內(nèi)存中只會有一個。靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)只會執(zhí)行一次。在泛型類中，T類型不同，每個不同的T類型，都會產(chǎn)生一個不同的副本，所以會產(chǎn)生不同的靜態(tài)屬性、不同的靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)，請看下面的例子：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyGeneric
{
    public class GenericCache<T>
    {
        static GenericCache()
        {
            Console.WriteLine("This is GenericCache 靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)");
            _TypeTime = string.Format("{0}_{1}", typeof(T).FullName, DateTime.Now.ToString("yyyyMMddHHmmss.fff"));
        }

        private static string _TypeTime = "";

        public static string GetCache()
        {
            return _TypeTime;
        }
    }
}

然后新建一個測試類，用來測試GenericCache類的執(zhí)行順序：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyGeneric
{
    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);
            }
        }
    }
}

Main()方法里面調(diào)用：