.NET泛型技术的研究与分析＊

李凯凯 闵联营

（武汉理工大学计算机科学与技术学院 武汉 430063）

在CLR（common language runtime）1.0中，当要创建一个灵活的类或方法，但该类或方法在编译期间不知道使用什么类，就必须以System.Object类为基础进行处理，而Object类在编译期间没有类型安全性，又必须进行强制类型转换.另外，给值类型使用Object类会有性能损失，这给程序开发带来诸多不便.

故在CLR 2.0（.NET 3.5基于 CLR 2.0）中，提供了泛型，这是一个很强大的新特性.有了泛型，就不再需要Object类来参与实现一些通用类或方法了.通过使用泛型类型，可以根据需要，用特定的类型替换泛型类型，同时保证了类型安全性：如果某个类型不支持泛型类，编译器就会报错，以阻止程度发生运行期错误.正确使用泛型将大大提高代码的灵活性，结合一个优秀的设计模式［1］，可以显著缩短开发时间.

1 泛型的优势

1.1 安 全

C＃是一个类型安全的语言［2］，类型安全允许编译器（可信赖的）捕获潜在的错误，而不是在程序运行时才发现（不可信赖的）.在CLR 1.0中，当使用集合时，这种类型安全就失效了：由.NET类库提供的集合类全是存储基类型（Object）的，而.NET中所有的一切都继承于Object，因此所有类型都可以放到一个集合中，这相当于根本就没有了类型检测.

下面的代码也正好说明了这个问题.

ArrayList list＝new ArrayList（）；

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

foreach（int i in list）／／ 引发运行期错误

Console.Write（i）；

可以往ArrayList里添加任何类型，也能通过编译，但是在接下来的使用中，由于字符串“test”和Object对象都不能转换为值类型int，这会抛出运行期错误，类型不再安全.

1.2 性 能

泛型的一个主要优点是性能.如果对值类型使用普通的集合类，在把值类型转换为引用类型和把引用类型转换成为值类型时，程序会进行装箱和拆箱操作，性能损失比较大，操作迭代多次时尤其严重.而使用泛型能使程序在运行期间明确知道操作的对象的类型，可以减少拆箱和装箱的操作.

ArrayList list＝new ArrayList（）；

list.Add（100）；／／装箱：将值类型转换为引用类型

int i＝ （int）list［0］；／／拆箱：将引用类型转换为值类型

foreach（int j in list）／／拆箱

Console.Write（j）；

List＜int＞list＝new List＜int＞（）；

list.Add（100）；／／无装箱：类型已经存储在 List＜int＞

int i＝list［0］；／／无拆箱：不需要进行类型转换

foreach（int j in list）

Console.Write（j）；

1.3 重 用

泛型允许更好地重用代码.泛型类可以只定义一次，用于不同的类型实例化，减少代码量，如List＜int＞，List＜string＞，List＜object＞等等，且泛型可以在一种语言中定义，在另一种.NET语言中使用（如C＃，VB.NET等）.

泛型编译为IL（intermediate language）代码时，是采用占位符来表示泛型类型，并用专有的IL指令支持泛型操作，所以用某个类型实例化泛型不会在IL代码中复制这些类.为了说明，使用一个最简单的泛型类class Test＜T＞｛…｝，编译运行后，使用Visual Studio自带的IL反汇编程序打开生成的可执行文件，定位到Test＜T＞类的构造函数，可以看到下面的代码：

可以看出，泛型类使用了占位符“T”来表示这个泛型所支持的类型参数，并不会生成多份Test类以适应不同的传入类型.

真正的泛型实例化工作以“on－demand”的方式［3］，发生在JIT（Just－in－time）编译时，CLR 为所有类型参数为“引用类型”的泛型类产生同一份代码；但是如果类型参数为“值类型”，对每一个不同的“值类型”，CLR将为其产生一份独立的代码.

2 常用泛型

2.1 可空类型

C＃中的值类型必须包含一个值，而引用类型可以为空（null），但是让值类型可空是非常有用的（配合数据库使用）.所以，.NET提供了泛型System.Nullable＜T＞可以使值类型具备可空的性质，其中类型参数T必须是不可以为null的类型.因为可空类型使用得非常频繁，所以C＃有一种特殊的语法，使用“？”运算符，用于定义这种类型的变量，如int？.

2.2 泛型集合

System.Collection.Generic命名空间下有大量泛型集合类［4］，图1列示了几个比较常用的泛型，它们使用起来都十分方便，.NET已经为这些类提供了完善的成员函数与属性.

图1 泛型集合类

3 自定义泛型

3.1 泛型类

3.1.1 定义泛型类 泛型类的定义使用了占位符来泛化用到的类型，例如使用类型参数T来定义一个泛型类：

这个类现在可以根据T接受其他实例类型，并且生成的类是强类型的.

3.1.2 定义泛型的误区 在定义泛型时需要注意，由于T的类型是未知的，如果不使用其他一些技术（如反射、约束等）［5］，就不能对T 进行一些关于T实际类型相关的操作.当需要对泛型参数的实例进行初始化时，可以使用“default”关键字，如T1innerObj＝default（T1），这会给inner－Obj赋予对应类型的默认值.另外，与普通类不同，泛型类的静态成员只能在类的一种实例类型中共享.

3.2 泛型约束

没有对其进行任何约束的泛型称之为无绑定（unbounded）类型，而通过约束类型，可以限制泛型类的实例化类型参数.约束是在泛型类定义的时候，使用关键字where来实现：

其中：constraint定义了约束的种类（见表1），不同的约束之间用逗号隔开，多个where语句用空格隔开，且约束必须出现在继承说明符的后面.

表1 常用的约束

通过泛型约束，可以在泛型内调用泛型参数T上的方法，访问其成员，使代码更具操作性，泛型约束对于程序开发有非常重要的意义.

3.3 泛型的继承

.NET已有的泛型的功能已经比较完善，但是如果想在其基础上增加自定义的操作，可以定义一个泛型类并继承.NET已有的泛型，见图2.

图2 泛型继承关系示例

需要注意的是，如果某个类型在它所继承的基类型中受到约束，该类型就不能“解除约束”.也就是说，类型参数T在基类中使用受到了某约束S，则在子类中T必须受到至少与基类型相同的约束.

3.4 其他泛型

经常用到的还包括泛型结构、方法、接口、委托等，它们的使用方法与非泛型版本基本相同，只是在其基础上增加了类型参数、约束等特性.

4 泛型的对比分析

4.1 C＃泛型与C＋＋模板

C＃泛型和C＋＋的模板都是用于提供参数化类型支持的语言功能，然而，两者之间存在许多差异.在语法层面上，C＃泛型是实现参数化类型的更简单方法，不具有C＋＋ 模板的复杂性［6］.

在CLR中，泛型类型或方法将被编译为中间语言 MSIL （microsoft intermediate language），它包含将其标识为具有类型参数的元数据.元数据描述代码中的类型，包括每种类型的定义、每种类型的成员的签名、代码引用的成员和运行库在执行时使用的其他数据.C＃泛型类型替换是在运行时执行的，从而为实例化的对象保留了泛型类型信息.而C＋＋模板是在编译时就确定了所需实例化的对象，代码的实例化发生在程序运行之前.在C＋＋里，可以对一个类型参数T做任何想做的事情，但是当进行实例化的时候，有可能会出现运行期错误，并得到一些非常难懂的错误信息.比如，有2个T类型的变量x和y，如果要在代码中完成x＋y的操作，那么需要先定义用于2个T型变量相加的“＋”运算符，否则会得到一些古怪的错误信息.从某种意义上说，C＋＋模板实际上是非类型化的，或者说是弱类型化的，而C＃泛型则是强类型化的.

此外，C＃并不提供C＋＋模板所提供的所有功能.C＃泛型未提供与C＋＋模板相同程度的灵活性：不允许非类型模板参数，如template C＜int i＞ ｛｝；不支持显式专用化，即特定类型的模板的自定义实现；不支持部分专用化，类型参数子集的自定义实现；不允许将类型参数用作泛型类型的基类；不允许类型参数具有默认类型.在C＃中，尽管构造类型可用作泛型，但泛型类型参数自身不能是泛型，C＋＋则允许模板参数.

另一方面，C＋＋模板允许那些可能并非对模板中的所有类型参数都有效的代码，然后将检查该代码中是否有用作类型参数的特定类型.C＃则要求相应地编写类中的代码，使之能够使用任何满足约束的类型.如图3所示的C＋＋代码，可以直接对类型参数的对象使用算术运算符＋和－，但在用不支持这些运算符的类型来实例化模板时将会产生错误；而C＃不允许这样（图3中的a＋b运算将会产生编译错误），惟一允许的语句表达是那些可从约束推导出来的构造.

图3 C＋＋模板与C＃泛型

所以说，C＋＋模板会给设计者带来了很大的好处，在功能实现上有很大的自由度.但是，C＃泛型更为安全，这对泛型的使用者是有利的，并且保证了传递给运行时用于类型构造的任何泛型都是正确的，在工程项目中能提供更为可靠的代码段.

4.2 C＃泛型与Java泛型

Java的泛型是Java 5之后才有的特性，它的使用与C＃泛型虽大致相同，但本质却大不相同.

Java泛型实际上是通过类型擦除（type erasure）在Java语言编译器上实现的，而JVM（java virtual machine）本身并没有“泛型”的概念，这样最大的优势在于其兼容性：即便使用了泛型，但最后生成的二进制文件也可以运行在低版本的JVM 上，甚至JDK（java development kit）中都不需要添加额外的类库，因为Java的泛型不涉及JVM的变化.而.NET中的泛型是得到了CLR的支持［7］，在运行库上实现，这可以在运行期间体现出“模板化”的优势，具有很高的效率.

如果试图创建一个List＜int＞，就会对所有用到的int对象进行装箱操作，这会产生很大的效率问题.此外，为了与旧版本的JVM兼容，实现强类型，Java编译器实际上还会插入各种各样的转换代码，当然这些转换代码是由Java编译程序来完成的.也就是说Java泛型只是在语法上增加了易用性，但是并没有提升任何程序执行上的效率.图4的例子清楚地说明了两者之间的效率差距，在相同的机器上使用图4定义的List＜T＞类做10 000×10 000次累加操作时，Java泛型版本的平均耗时在1 380ms，而C＃版本的平均耗时仅为350ms.

图4 泛型效率对比

同时，Java泛型还有一个更大的问题，因为Java泛型的实现依赖于类型擦除，到了代码运行时，程序实际上得不到一个相对于运行时的可靠的泛型表示.比如，在Java里针对一个泛型List使用反射的时候，程序并不知道这个List到底是关于什么类型的List，它只是一个List.因为编译器已经丢掉了类型信息，任何动态代码生成（dynamic code－generation）的应用或者基于反射的应用会无法正常工作.

所以说，Java泛型更相当于一个“伪泛型”，虽然兼容性比较好，但是运行效率却没有任何提升，甚至有所下降.而对于C＃泛型，CLR会为不同的泛型类型生成不同的具体类型代码（类型膨胀），能够节省值类型的装箱和拆箱的开销，即便是引用类型也可以避免额外的类型转化，这些都能带来性能上的提高.而且由于C＃泛型编译后的MSIL代码中含有类型参数的信息，这就允许程序员能以更丰富的方式来使用泛型.

5 结束语

综上所述，正确地使用.NET泛型，能够提高编程效率、改善代码结构、加强程序安全.虽然C＃泛型的功能不及C＋＋模版强大，但是它的安全性更高，可靠性更好.而Java“伪泛型”无论是在效率、性能还是安全性上都不及C＃泛型.总之.NET泛型具有高性能、高安全和良好重用性的优秀品质，在.NET应用开发中，泛型将一直占据非常重要的地位.

［1］谈 冉，陈 巍，薛胜军.设计模式在典型.NET三层架构Web程序中的应用［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，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泛型集合的应用研究［J］.微计算机信息，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］陈 林，徐宝文.基于源代码静态分析的C＋＋0x泛型概念 抽 取 ［J］.计 算 机 学 报，2009，32（9）：1792－1803.

［7］谢 伟.C＃中的泛型［J］.科学咨询：科技·管理，2011，12（7）：91－92.