.NET泛型技術(shù)的研究與分析＊

李凱凱 閔聯(lián)營

（武漢理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 武漢 430063）

在CLR（common language runtime）1.0中，當(dāng)要創(chuàng)建一個靈活的類或方法，但該類或方法在編譯期間不知道使用什么類，就必須以System.Object類為基礎(chǔ)進(jìn)行處理，而Object類在編譯期間沒有類型安全性，又必須進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換.另外，給值類型使用Object類會有性能損失，這給程序開發(fā)帶來諸多不便.

故在CLR 2.0（.NET 3.5基于 CLR 2.0）中，提供了泛型，這是一個很強(qiáng)大的新特性.有了泛型，就不再需要Object類來參與實(shí)現(xiàn)一些通用類或方法了.通過使用泛型類型，可以根據(jù)需要，用特定的類型替換泛型類型，同時保證了類型安全性：如果某個類型不支持泛型類，編譯器就會報錯，以阻止程度發(fā)生運(yùn)行期錯誤.正確使用泛型將大大提高代碼的靈活性，結(jié)合一個優(yōu)秀的設(shè)計模式［1］，可以顯著縮短開發(fā)時間.

1 泛型的優(yōu)勢

1.1 安 全

C＃是一個類型安全的語言［2］，類型安全允許編譯器（可信賴的）捕獲潛在的錯誤，而不是在程序運(yùn)行時才發(fā)現(xiàn)（不可信賴的）.在CLR 1.0中，當(dāng)使用集合時，這種類型安全就失效了：由.NET類庫提供的集合類全是存儲基類型（Object）的，而.NET中所有的一切都繼承于Object，因此所有類型都可以放到一個集合中，這相當(dāng)于根本就沒有了類型檢測.

下面的代碼也正好說明了這個問題.

ArrayList list＝new ArrayList（）；

list.Add（100）；list.Add（“test”）；list.Add（new object（））；

foreach（int i in list）／／ 引發(fā)運(yùn)行期錯誤

Console.Write（i）；

可以往ArrayList里添加任何類型，也能通過編譯，但是在接下來的使用中，由于字符串“test”和Object對象都不能轉(zhuǎn)換為值類型int，這會拋出運(yùn)行期錯誤，類型不再安全.

1.2 性 能

泛型的一個主要優(yōu)點(diǎn)是性能.如果對值類型使用普通的集合類，在把值類型轉(zhuǎn)換為引用類型和把引用類型轉(zhuǎn)換成為值類型時，程序會進(jìn)行裝箱和拆箱操作，性能損失比較大，操作迭代多次時尤其嚴(yán)重.而使用泛型能使程序在運(yùn)行期間明確知道操作的對象的類型，可以減少拆箱和裝箱的操作.

ArrayList list＝new ArrayList（）；

list.Add（100）；／／裝箱：將值類型轉(zhuǎn)換為引用類型

int i＝ （int）list［0］；／／拆箱：將引用類型轉(zhuǎn)換為值類型

foreach（int j in list）／／拆箱

Console.Write（j）；

List＜int＞list＝new List＜int＞（）；

list.Add（100）；／／無裝箱：類型已經(jīng)存儲在 List＜int＞

int i＝list［0］；／／無拆箱：不需要進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換

foreach（int j in list）

Console.Write（j）；

1.3 重 用

泛型允許更好地重用代碼.泛型類可以只定義一次，用于不同的類型實(shí)例化，減少代碼量，如List＜int＞，List＜string＞，List＜o(jì)bject＞等等，且泛型可以在一種語言中定義，在另一種.NET語言中使用（如C＃，VB.NET等）.

泛型編譯為IL（intermediate language）代碼時，是采用占位符來表示泛型類型，并用專有的IL指令支持泛型操作，所以用某個類型實(shí)例化泛型不會在IL代碼中復(fù)制這些類.為了說明，使用一個最簡單的泛型類class Test＜T＞｛…｝，編譯運(yùn)行后，使用Visual Studio自帶的IL反匯編程序打開生成的可執(zhí)行文件，定位到Test＜T＞類的構(gòu)造函數(shù)，可以看到下面的代碼：

可以看出，泛型類使用了占位符“T”來表示這個泛型所支持的類型參數(shù)，并不會生成多份Test類以適應(yīng)不同的傳入類型.

真正的泛型實(shí)例化工作以“on－demand”的方式［3］，發(fā)生在JIT（Just－in－time）編譯時，CLR 為所有類型參數(shù)為“引用類型”的泛型類產(chǎn)生同一份代碼；但是如果類型參數(shù)為“值類型”，對每一個不同的“值類型”，CLR將為其產(chǎn)生一份獨(dú)立的代碼.

2 常用泛型

2.1 可空類型

C＃中的值類型必須包含一個值，而引用類型可以為空（null），但是讓值類型可空是非常有用的（配合數(shù)據(jù)庫使用）.所以，.NET提供了泛型System.Nullable＜T＞可以使值類型具備可空的性質(zhì)，其中類型參數(shù)T必須是不可以為null的類型.因?yàn)榭煽疹愋褪褂玫梅浅ｎl繁，所以C＃有一種特殊的語法，使用“？”運(yùn)算符，用于定義這種類型的變量，如int？.

2.2 泛型集合

System.Collection.Generic命名空間下有大量泛型集合類［4］，圖1列示了幾個比較常用的泛型，它們使用起來都十分方便，.NET已經(jīng)為這些類提供了完善的成員函數(shù)與屬性.

圖1 泛型集合類

3 自定義泛型

3.1 泛型類

3.1.1 定義泛型類 泛型類的定義使用了占位符來泛化用到的類型，例如使用類型參數(shù)T來定義一個泛型類：

這個類現(xiàn)在可以根據(jù)T接受其他實(shí)例類型，并且生成的類是強(qiáng)類型的.

3.1.2 定義泛型的誤區(qū) 在定義泛型時需要注意，由于T的類型是未知的，如果不使用其他一些技術(shù)（如反射、約束等）［5］，就不能對T 進(jìn)行一些關(guān)于T實(shí)際類型相關(guān)的操作.當(dāng)需要對泛型參數(shù)的實(shí)例進(jìn)行初始化時，可以使用“default”關(guān)鍵字，如T1innerObj＝default（T1），這會給inner－Obj賦予對應(yīng)類型的默認(rèn)值.另外，與普通類不同，泛型類的靜態(tài)成員只能在類的一種實(shí)例類型中共享.

3.2 泛型約束

沒有對其進(jìn)行任何約束的泛型稱之為無綁定（unbounded）類型，而通過約束類型，可以限制泛型類的實(shí)例化類型參數(shù).約束是在泛型類定義的時候，使用關(guān)鍵字where來實(shí)現(xiàn)：

其中：constraint定義了約束的種類（見表1），不同的約束之間用逗號隔開，多個where語句用空格隔開，且約束必須出現(xiàn)在繼承說明符的后面.

表1 常用的約束

通過泛型約束，可以在泛型內(nèi)調(diào)用泛型參數(shù)T上的方法，訪問其成員，使代碼更具操作性，泛型約束對于程序開發(fā)有非常重要的意義.

3.3 泛型的繼承

.NET已有的泛型的功能已經(jīng)比較完善，但是如果想在其基礎(chǔ)上增加自定義的操作，可以定義一個泛型類并繼承.NET已有的泛型，見圖2.

圖2 泛型繼承關(guān)系示例

需要注意的是，如果某個類型在它所繼承的基類型中受到約束，該類型就不能“解除約束”.也就是說，類型參數(shù)T在基類中使用受到了某約束S，則在子類中T必須受到至少與基類型相同的約束.

3.4 其他泛型

經(jīng)常用到的還包括泛型結(jié)構(gòu)、方法、接口、委托等，它們的使用方法與非泛型版本基本相同，只是在其基礎(chǔ)上增加了類型參數(shù)、約束等特性.

4 泛型的對比分析

4.1 C＃泛型與C＋＋模板

C＃泛型和C＋＋的模板都是用于提供參數(shù)化類型支持的語言功能，然而，兩者之間存在許多差異.在語法層面上，C＃泛型是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化類型的更簡單方法，不具有C＋＋ 模板的復(fù)雜性［6］.

在CLR中，泛型類型或方法將被編譯為中間語言 MSIL （microsoft intermediate language），它包含將其標(biāo)識為具有類型參數(shù)的元數(shù)據(jù).元數(shù)據(jù)描述代碼中的類型，包括每種類型的定義、每種類型的成員的簽名、代碼引用的成員和運(yùn)行庫在執(zhí)行時使用的其他數(shù)據(jù).C＃泛型類型替換是在運(yùn)行時執(zhí)行的，從而為實(shí)例化的對象保留了泛型類型信息.而C＋＋模板是在編譯時就確定了所需實(shí)例化的對象，代碼的實(shí)例化發(fā)生在程序運(yùn)行之前.在C＋＋里，可以對一個類型參數(shù)T做任何想做的事情，但是當(dāng)進(jìn)行實(shí)例化的時候，有可能會出現(xiàn)運(yùn)行期錯誤，并得到一些非常難懂的錯誤信息.比如，有2個T類型的變量x和y，如果要在代碼中完成x＋y的操作，那么需要先定義用于2個T型變量相加的“＋”運(yùn)算符，否則會得到一些古怪的錯誤信息.從某種意義上說，C＋＋模板實(shí)際上是非類型化的，或者說是弱類型化的，而C＃泛型則是強(qiáng)類型化的.

此外，C＃并不提供C＋＋模板所提供的所有功能.C＃泛型未提供與C＋＋模板相同程度的靈活性：不允許非類型模板參數(shù)，如template C＜int i＞ ｛｝；不支持顯式專用化，即特定類型的模板的自定義實(shí)現(xiàn)；不支持部分專用化，類型參數(shù)子集的自定義實(shí)現(xiàn)；不允許將類型參數(shù)用作泛型類型的基類；不允許類型參數(shù)具有默認(rèn)類型.在C＃中，盡管構(gòu)造類型可用作泛型，但泛型類型參數(shù)自身不能是泛型，C＋＋則允許模板參數(shù).

另一方面，C＋＋模板允許那些可能并非對模板中的所有類型參數(shù)都有效的代碼，然后將檢查該代碼中是否有用作類型參數(shù)的特定類型.C＃則要求相應(yīng)地編寫類中的代碼，使之能夠使用任何滿足約束的類型.如圖3所示的C＋＋代碼，可以直接對類型參數(shù)的對象使用算術(shù)運(yùn)算符＋和－，但在用不支持這些運(yùn)算符的類型來實(shí)例化模板時將會產(chǎn)生錯誤；而C＃不允許這樣（圖3中的a＋b運(yùn)算將會產(chǎn)生編譯錯誤），惟一允許的語句表達(dá)是那些可從約束推導(dǎo)出來的構(gòu)造.

圖3 C＋＋模板與C＃泛型

所以說，C＋＋模板會給設(shè)計者帶來了很大的好處，在功能實(shí)現(xiàn)上有很大的自由度.但是，C＃泛型更為安全，這對泛型的使用者是有利的，并且保證了傳遞給運(yùn)行時用于類型構(gòu)造的任何泛型都是正確的，在工程項(xiàng)目中能提供更為可靠的代碼段.

4.2 C＃泛型與Java泛型

Java的泛型是Java 5之后才有的特性，它的使用與C＃泛型雖大致相同，但本質(zhì)卻大不相同.

Java泛型實(shí)際上是通過類型擦除（type erasure）在Java語言編譯器上實(shí)現(xiàn)的，而JVM（java virtual machine）本身并沒有“泛型”的概念，這樣最大的優(yōu)勢在于其兼容性：即便使用了泛型，但最后生成的二進(jìn)制文件也可以運(yùn)行在低版本的JVM 上，甚至JDK（java development kit）中都不需要添加額外的類庫，因?yàn)镴ava的泛型不涉及JVM的變化.而.NET中的泛型是得到了CLR的支持［7］，在運(yùn)行庫上實(shí)現(xiàn)，這可以在運(yùn)行期間體現(xiàn)出“模板化”的優(yōu)勢，具有很高的效率.

如果試圖創(chuàng)建一個List＜int＞，就會對所有用到的int對象進(jìn)行裝箱操作，這會產(chǎn)生很大的效率問題.此外，為了與舊版本的JVM兼容，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)類型，Java編譯器實(shí)際上還會插入各種各樣的轉(zhuǎn)換代碼，當(dāng)然這些轉(zhuǎn)換代碼是由Java編譯程序來完成的.也就是說Java泛型只是在語法上增加了易用性，但是并沒有提升任何程序執(zhí)行上的效率.圖4的例子清楚地說明了兩者之間的效率差距，在相同的機(jī)器上使用圖4定義的List＜T＞類做10 000×10 000次累加操作時，Java泛型版本的平均耗時在1 380ms，而C＃版本的平均耗時僅為350ms.

圖4 泛型效率對比

同時，Java泛型還有一個更大的問題，因?yàn)镴ava泛型的實(shí)現(xiàn)依賴于類型擦除，到了代碼運(yùn)行時，程序?qū)嶋H上得不到一個相對于運(yùn)行時的可靠的泛型表示.比如，在Java里針對一個泛型List使用反射的時候，程序并不知道這個List到底是關(guān)于什么類型的List，它只是一個List.因?yàn)榫幾g器已經(jīng)丟掉了類型信息，任何動態(tài)代碼生成（dynamic code－generation）的應(yīng)用或者基于反射的應(yīng)用會無法正常工作.

所以說，Java泛型更相當(dāng)于一個“偽泛型”，雖然兼容性比較好，但是運(yùn)行效率卻沒有任何提升，甚至有所下降.而對于C＃泛型，CLR會為不同的泛型類型生成不同的具體類型代碼（類型膨脹），能夠節(jié)省值類型的裝箱和拆箱的開銷，即便是引用類型也可以避免額外的類型轉(zhuǎn)化，這些都能帶來性能上的提高.而且由于C＃泛型編譯后的MSIL代碼中含有類型參數(shù)的信息，這就允許程序員能以更豐富的方式來使用泛型.

5 結(jié)束語

綜上所述，正確地使用.NET泛型，能夠提高編程效率、改善代碼結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)程序安全.雖然C＃泛型的功能不及C＋＋模版強(qiáng)大，但是它的安全性更高，可靠性更好.而Java“偽泛型”無論是在效率、性能還是安全性上都不及C＃泛型.總之.NET泛型具有高性能、高安全和良好重用性的優(yōu)秀品質(zhì)，在.NET應(yīng)用開發(fā)中，泛型將一直占據(jù)非常重要的地位.

［1］談 冉，陳 巍，薛勝軍.設(shè)計模式在典型.NET三層架構(gòu)Web程序中的應(yīng)用［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2006，30（2）：344－346.

［2］CHEN Chaochao，DOUGLAS B，CHRIS S，et al.A.NET framework for an integrated fault diagnosis and failure prognosis architecture［C］／／2010IEEE Autotestcon Conference.Orlando，USA：36－41.

［3］NAGEL C，EVJEN B，GLYNN J，et al.Professional C＃2010［M］.7th ed.［s.l.］：Wrox，2010.

［4］姜 宇，牟永敏.C＃2.0泛型集合的應(yīng)用研究［J］.微計算機(jī)信息，2010，26（27）：171－174.

［5］WATSON K，NAGEL C，PEDERSEN J H，et al.Beginning microsoft visual C＃2010［M］.5th ed.［s.l.］：Wrox，2010.

［6］陳 林，徐寶文.基于源代碼靜態(tài)分析的C＋＋0x泛型概念 抽 取 ［J］.計 算 機(jī) 學(xué) 報，2009，32（9）：1792－1803.

［7］謝 偉.C＃中的泛型［J］.科學(xué)咨詢：科技·管理，2011，12（7）：91－92.