一文看懂C#泛型運(yùn)作原理！
前言
?我們都知道泛型在C#的重要性，泛型是OOP語(yǔ)言中三大特征的多態(tài)的最重要的體現(xiàn)，幾乎泛型撐起了整個(gè).NET框架，在講泛型之前，我們可以拋出一個(gè)問(wèn)題，我們現(xiàn)在需要一個(gè)可擴(kuò)容的數(shù)組類，且滿足所有類型，不管是值類型還是引用類型，那么在沒(méi)有用泛型方法實(shí)現(xiàn)，如何實(shí)現(xiàn)？
一.泛型之前的故事
?我們肯定會(huì)想到用object來(lái)作為類型參數(shù)，因?yàn)樵贑#中，所有類型都是基于Object類型的。因此Object是所有類型的最基類，那么我們的可擴(kuò)容數(shù)組類如下：
public class ArrayExpandable
{
private object?[] _items = null;
private int _defaultCapacity = 4;
private int _size;
public object? this[int index]
{
get
{
if (index < 0 || index >= _size)
throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));
return _items[index];
}
set
{
if (index < 0 || index >= _size)
throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));
_items[index] = value;
}
}
public int Capacity
{
get => _items.Length;
set
{
if (value < _size)
{
throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(value));
}
if (value != _items.Length)
{
if (value > 0)
{
object[] newItems = new object[value];
if (_size > 0)
{
Array.Copy(_items, newItems, _size);
}
_items = newItems;
}
else
{
_items = new object[_defaultCapacity];
}
}
}
}
public int Count => _size;
public ArrayExpandable()
{
_items = new object?[0];
}
public ArrayExpandable(int capacity)
{
_items = new object?[capacity];
}
public void Add(object? value)
{
//數(shù)組元素為0或者數(shù)組元素容量滿
if (_size == _items.Length) EnsuresCapacity(_size + 1);
_items[_size] = value;
_size++;
}
private void EnsuresCapacity(int size)
{
if (_items.Length < size)
{
int newCapacity = _items.Length == 0 ? _defaultCapacity : _items.Length * 2;
if (newCapacity < size) newCapacity = size;
Capacity = newCapacity;
}
}
然后我們來(lái)驗(yàn)證下：
var arrayStr = new ArrayExpandable();
var strs = new string[] { "ryzen", "reed", "wymen" };
for (int i = 0; i < strs.Length; i++)
{
arrayStr.Add(strs[i]);
string value = (string)arrayStr[i];//改為int value = (int)arrayStr[i] 運(yùn)行時(shí)報(bào)錯(cuò)
Console.WriteLine(value);
}
Console.WriteLine($"Now {nameof(arrayStr)} Capacity:{arrayStr.Capacity}");
var array = new ArrayExpandable();
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
array.Add(i);
int value = (int)array[i];
Console.WriteLine(value);
}
Console.WriteLine($"Now {nameof(array)} Capacity:{array.Capacity}");
輸出：
ryzen
reed
wymen
gavin
Now arrayStr Capacity:4
0
1
2
3
4
Now array Capacity:8
?貌似輸出結(jié)果是正確的，能夠動(dòng)態(tài)進(jìn)行擴(kuò)容，同樣的支持值類型Struct的int32和引用類型的字符串，但是其實(shí)這里會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，那就是
引用類型
string進(jìn)行了類型轉(zhuǎn)換的驗(yàn)證值類型
int32進(jìn)行了裝箱和拆箱操作，同時(shí)進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換類型的檢驗(yàn)發(fā)生的這一切都是在運(yùn)行時(shí)的，假如類型轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，得在運(yùn)行時(shí)才能報(bào)錯(cuò)
大致執(zhí)行模型如下：
引用類型:
值類型:
?那么有沒(méi)有一種方法能夠避免上面遇到的三種問(wèn)題呢？在借鑒了cpp的模板和java的泛型經(jīng)驗(yàn)，在C#2.0的時(shí)候推出了更適合.NET體系下的泛型
二.用泛型實(shí)現(xiàn)
public class ArrayExpandable<T>
{
private T[] _items;
private int _defaultCapacity = 4;
private int _size;
public T this[int index]
{
get
{
if (index < 0 || index >= _size)
throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));
return _items[index];
}
set
{
if (index < 0 || index >= _size)
throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));
_items[index] = value;
}
}
public int Capacity
{
get => _items.Length;
set
{
if (value < _size)
{
throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(value));
}
if (value != _items.Length)
{
if (value > 0)
{
T[] newItems = new T[value];
if (_size > 0)
{
Array.Copy(_items, newItems, _size);
}
_items = newItems;
}
else
{
_items = new T[_defaultCapacity];
}
}
}
}
public int Count => _size;
public ArrayExpandable()
{
_items = new T[0];
}
public ArrayExpandable(int capacity)
{
_items = new T[capacity];
}
public void Add(T value)
{
//數(shù)組元素為0或者數(shù)組元素容量滿
if (_size == _items.Length) EnsuresCapacity(_size + 1);
_items[_size] = value;
_size++;
}
private void EnsuresCapacity(int size)
{
if (_items.Length < size)
{
int newCapacity = _items.Length == 0 ? _defaultCapacity : _items.Length * 2;
if (newCapacity < size) newCapacity = size;
Capacity = newCapacity;
}
}
}
那么測(cè)試代碼則改寫(xiě)為如下：
var arrayStr = new ArrayExpandable<string>();
var strs = new string[] { "ryzen", "reed", "wymen", "gavin" };
for (int i = 0; i < strs.Length; i++)
{
arrayStr.Add(strs[i]);
string value = arrayStr[i];//改為int value = arrayStr[i] 編譯報(bào)錯(cuò)
Console.WriteLine(value);
}
Console.WriteLine($"Now {nameof(arrayStr)} Capacity:{arrayStr.Capacity}");
var array = new ArrayExpandable<int>();
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
array.Add(i);
int value = array[i];
Console.WriteLine(value);
}
Console.WriteLine($"Now {nameof(array)} Capacity:{array.Capacity}");
輸出：
ryzen
reed
wymen
gavin
Now arrayStr Capacity:4
0
1
2
3
4
Now array Capacity:8
我們通過(guò)截取部分ArrayExpandable<T>的IL查看其本質(zhì)是個(gè)啥：
//聲明類
.class public auto ansi beforefieldinit MetaTest.ArrayExpandable`1<T>
extends [System.Runtime]System.Object
{
.custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.DefaultMemberAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 04 49 74 65 6D 00 00 )
}
//Add方法
.method public hidebysig instance void Add(!T 'value') cil managed
{
// 代碼大小 69 (0x45)
.maxstack 3
.locals init (bool V_0)
IL_0000: nop
IL_0001: ldarg.0
IL_0002: ldfld int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::_size
IL_0007: ldarg.0
IL_0008: ldfld !0[] class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::_items
IL_000d: ldlen
IL_000e: conv.i4
IL_000f: ceq
IL_0011: stloc.0
IL_0012: ldloc.0
IL_0013: brfalse.s IL_0024
IL_0015: ldarg.0
IL_0016: ldarg.0
IL_0017: ldfld int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::_size
IL_001c: ldc.i4.1
IL_001d: add
IL_001e: call instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::EnsuresCapacity(int32)
IL_0023: nop
IL_0024: ldarg.0
IL_0025: ldfld !0[] class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::_items
IL_002a: ldarg.0
IL_002b: ldfld int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::_size
IL_0030: ldarg.1
IL_0031: stelem !T
IL_0036: ldarg.0
IL_0037: ldarg.0
IL_0038: ldfld int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::_size
IL_003d: ldc.i4.1
IL_003e: add
IL_003f: stfld int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::_size
IL_0044: ret
} // end of method ArrayExpandable`1::Add
?原來(lái)定義的時(shí)候就是用了個(gè)T作為占位符，起一個(gè)模板的作用，我們對(duì)其實(shí)例化類型參數(shù)的時(shí)候，補(bǔ)足那個(gè)占位符，我們可以在編譯期就知道了其類型，且不用在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行類型檢測(cè)，而我們也可以對(duì)比ArrayExpandable和ArrayExpandable<T>在類型為值類型中的IL，查看是否進(jìn)行拆箱和裝箱操作，以下為IL截取部分：
ArrayExpandable:
IL_0084: newobj instance void GenericSample.ArrayExpandable::.ctor()
IL_0089: stloc.2
IL_008a: ldc.i4.0
IL_008b: stloc.s V_6
IL_008d: br.s IL_00bc
IL_008f: nop
IL_0090: ldloc.2
IL_0091: ldloc.s V_6
IL_0093: box [System.Runtime]System.Int32 //box為裝箱操作
IL_0098: callvirt instance void GenericSample.ArrayExpandable::Add(object)
IL_009d: nop
IL_009e: ldloc.2
IL_009f: ldloc.s V_6
IL_00a1: callvirt instance object GenericSample.ArrayExpandable::get_Item(int32)
IL_00a6: unbox.any [System.Runtime]System.Int32 //unbox為拆箱操作
ArrayExpandable<T>:
IL_007f: newobj instance void class GenericSample.ArrayExpandable`1<int32>::.ctor()
IL_0084: stloc.2
IL_0085: ldc.i4.0
IL_0086: stloc.s V_6
IL_0088: br.s IL_00ad
IL_008a: nop
IL_008b: ldloc.2
IL_008c: ldloc.s V_6
IL_008e: callvirt instance void class GenericSample.ArrayExpandable`1<int32>::Add(!0)
IL_0093: nop
IL_0094: ldloc.2
IL_0095: ldloc.s V_6
IL_0097: callvirt instance !0 class GenericSample.ArrayExpandable`1<int32>::get_Item(int32)
?我們從IL也能看的出來(lái)，ArrayExpandable<T>的T作為一個(gè)類型參數(shù)，在編譯后在IL已經(jīng)確定了其類型，因此當(dāng)然也就不存在裝拆箱的情況，在編譯期的時(shí)候IDE能夠檢測(cè)類型，因此也就不用在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行類型檢測(cè)，但并不代表不能通過(guò)運(yùn)行時(shí)檢測(cè)類型(可通過(guò)is和as)，還能通過(guò)反射體現(xiàn)出泛型的靈活性，后面會(huì)講到
?其實(shí)有了解ArrayList和List的朋友就知道，ArrayExpandable和ArrayExpandable<T>其實(shí)現(xiàn)大致就是和它們一樣，只是簡(jiǎn)化了很多的版本，我們這里可以通過(guò) BenchmarkDotNet 來(lái)測(cè)試其性能對(duì)比，代碼如下：
[SimpleJob(RuntimeMoniker.NetCoreApp31,baseline:true)]
[SimpleJob(RuntimeMoniker.NetCoreApp50)]
[MemoryDiagnoser]
public class TestClass
{
[Benchmark]
public void EnumAE_ValueType()
{
ArrayExpandable array = new ArrayExpandable();
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add(i);//裝箱
int value = (int)array[i];//拆箱
}
array = null;//確保進(jìn)行垃圾回收
}
[Benchmark]
public void EnumAE_RefType()
{
ArrayExpandable array = new ArrayExpandable();
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add("r");
string value = (string)array[i];
}
array = null;//確保進(jìn)行垃圾回收
}
[Benchmark]
public void EnumAE_Gen_ValueType()
{
ArrayExpandable<int> array = new ArrayExpandable<int>();
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add(i);
int value = array[i];
}
array = null;//確保進(jìn)行垃圾回收;
}
[Benchmark]
public void EnumAE_Gen_RefType()
{
ArrayExpandable<string> array = new ArrayExpandable<string>();
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add("r");
string value = array[i];
}
array = null;//確保進(jìn)行垃圾回收;
}
[Benchmark]
public void EnumList_ValueType()
{
List<int> array = new List<int>();
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add(i);
int value = array[i];
}
array = null;//確保進(jìn)行垃圾回收;
}
[Benchmark]
public void EnumList_RefType()
{
List<string> array = new List<string>();
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add("r");
string value = array[i];
}
array = null;//確保進(jìn)行垃圾回收;
}
[Benchmark(Baseline =true)]
public void EnumAraayList_valueType()
{
ArrayList array = new ArrayList();
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add(i);
int value = (int)array[i];
}
array = null;//確保進(jìn)行垃圾回收;
}
[Benchmark]
public void EnumAraayList_RefType()
{
ArrayList array = new ArrayList();
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
array.Add("r");
string value = (string)array[i];
}
array = null;//確保進(jìn)行垃圾回收;
}
}
?我還加入了.NETCore3.1和.NET5的對(duì)比,且以.NETCore3.1的EnumAraayList_valueType方法為基準(zhǔn)，性能測(cè)試結(jié)果如下：
用更直觀的柱形圖來(lái)呈現(xiàn)：
?我們能看到在這里List的性能在引用類型和值類型中都是所以當(dāng)中是最好的，不管是執(zhí)行時(shí)間、GC次數(shù)，分配的內(nèi)存空間大小，都是最優(yōu)的，同時(shí).NET5在幾乎所有的方法中性能都是優(yōu)于.NETCore3.1,這里還提一句，我實(shí)現(xiàn)的ArrayExpandable和ArrayExpandable<T>性能都差于ArrayList和List，我還沒(méi)實(shí)現(xiàn)IList和各種方法，只能說(shuō)句dotnet基金會(huì)牛逼
三.泛型的多態(tài)性
多態(tài)的聲明
類、結(jié)構(gòu)、接口、方法、和委托可以聲明一個(gè)或者多個(gè)類型參數(shù),我們直接看代碼:
interface IFoo<InterfaceT>
{
void InterfaceMenthod(InterfaceT interfaceT);
}
class Foo<ClassT, ClassT1>: IFoo<StringBuilder>
{
public ClassT1 Field;
public delegate void MyDelegate<DelegateT>(DelegateT delegateT);
public void DelegateMenthod<DelegateT>(DelegateT delegateT, MyDelegate<DelegateT> myDelegate)
{
myDelegate(delegateT);
}
public static string operator +(Foo<ClassT, ClassT1> foo,string s)
{
return $"{s}:{foo.GetType().Name}";
}
public List<ClassT> Property{ get; set; }
public ClassT1 Property1 { get; set; }
public ClassT this[int index] => Property[index];//沒(méi)判斷越界
public Foo(List<ClassT> classT, ClassT1 classT1)
{
Property = classT;
Property1 = classT1;
Field = classT1;
Console.WriteLine($"構(gòu)造函數(shù):parameter1 type:{Property.GetType().Name}，parameter2 type:{Property1.GetType().Name}");
}
//方法聲明了多個(gè)新的類型參數(shù)
public void Method<MenthodT, MenthodT1>(MenthodT menthodT, MenthodT1 menthodT1)
{
Console.WriteLine($"Method<MenthodT, MenthodT1>:{(menthodT.GetType().Name)}:{menthodT.ToString()}," +
$"{menthodT1.GetType().Name}:{menthodT1.ToString()}");
}
public void Method(ClassT classT)
{
Console.WriteLine($"{nameof(Method)}:{classT.GetType().Name}:classT?.ToString()");
}
public void InterfaceMenthod(StringBuilder interfaceT)
{
Console.WriteLine(interfaceT.ToString());
}
}
控制臺(tái)測(cè)試代碼:
static void Main(string[] args)
{
Test();
Console.ReadLine();
}
static void Test()
{
var list = new List<int>() { 1, 2, 3, 4 };
var foo = new Foo<int, string>(list, "ryzen");
var index = 0;
Console.WriteLine($"索引：索引{index}的值:{foo[index]}");
Console.WriteLine($"Filed:{foo.Field}");
foo.Method(2333);
foo.Method<DateTime, long>(DateTime.Now, 2021);
foo.DelegateMenthod<string>("this is a delegate", DelegateMenthod);
foo.InterfaceMenthod(new StringBuilder().Append("InterfaceMenthod:this is a interfaceMthod"));
Console.WriteLine(foo+"重載+運(yùn)算符");
}
static void DelegateMenthod(string str)
{
Console.WriteLine($"{nameof(DelegateMenthod)}:{str}");
}
輸出如下:
構(gòu)造函數(shù):parameter1 type:List`1，parameter2 type:String
索引：索引0的值:1
Filed:ryzen
Method:Int32:classT?.ToString()
Method<MenthodT, MenthodT1>:DateTime:2021/03/02 11:45:40,Int64:2021
DelegateMenthod:this is a delegate
InterfaceMenthod:this is a interfaceMthod
重載+運(yùn)算符:Foo`2
我們通過(guò)例子可以看到的是：
類(結(jié)構(gòu)也可以)，接口，委托，方法都可以聲明一個(gè)或多個(gè)類型參數(shù)，體現(xiàn)了聲明的多態(tài)性
類的函數(shù)成員：屬性，字段，索引，構(gòu)造器，運(yùn)算符只能引入類聲明的類型參數(shù)，不能夠聲明，唯有方法這一函數(shù)成員具備聲明和引用類型參數(shù)兩種功能，由于具備聲明功能，因此可以聲明和委托一樣的類型參數(shù)并且引用它，這也體現(xiàn)了方法的多態(tài)性
多態(tài)的繼承
父類和實(shí)現(xiàn)類或接口的接口都可以是實(shí)例化類型，直接看代碼：
interface IFooBase<IBaseT>{}
interface IFoo<InterfaceT>: IFooBase<string>
{
void InterfaceMenthod(InterfaceT interfaceT);
}
class FooBase<ClassT>
{
}
class Foo<ClassT, ClassT1>: FooBase<ClassT>,IFoo<StringBuilder>{}
我們可以通過(guò)例子看出：
由于
Foo的基類FooBase定義的和Foo有著共享的類型參數(shù)ClassT，因此可以在繼承的時(shí)候不實(shí)例化類型而
Foo和IFoo接口沒(méi)定義相同的類型參數(shù)，因此可以在繼承的時(shí)候?qū)嵗鼋涌诘念愋蛥?shù)StringBuild出來(lái)IFoo和IFooBase沒(méi)定義相同的類型參數(shù)，因此可以在繼承的時(shí)候?qū)嵗鼋涌诘念愋蛥?shù)string出來(lái)上述都體現(xiàn)出繼承的多態(tài)性
多態(tài)的遞歸
我們定義如下一個(gè)類和一個(gè)方法，且不會(huì)報(bào)錯(cuò):
class D<T> { }
class C<T> : D<C<C<T>>>
{
void Foo()
{
var foo = new C<C<T>>();
Console.WriteLine(foo.ToString());
}
}
因?yàn)?code style="margin-right: 3px;margin-left: 3px;line-height: 1;vertical-align: middle;display: inline-block;overflow-x: auto;padding: 0.2em 0.3em !important;font-family: consolas !important;font-size: 14px !important;background: rgb(242, 244, 245) !important;border-width: 1px !important;border-style: solid !important;border-color: rgb(238, 238, 238) !important;border-radius: 3px !important;">T能在實(shí)例化的時(shí)候確定其類型，因此也支持這種循環(huán)套用自己的類和方法的定義
四.泛型的約束
where的約束
我們先上代碼:
class FooBase{ }
class Foo : FooBase
{
}
class someClass<T,K> where T:struct where K :FooBase,new()
{
}
static void TestConstraint()
{
var someClass = new someClass<int, Foo>();//通過(guò)編譯
//var someClass = new someClass<string, Foo>();//編譯失敗,string不是struct類型
//var someClass = new someClass<string, long>();//編譯失敗,long不是FooBase類型
}
再改動(dòng)下Foo類:
class Foo : FooBase
{
public Foo(string str)
{
}
}
static void TestConstraint()
{
var someClass = new someClass<int, Foo>();//編譯失敗，因?yàn)閚ew()約束必須類含有一個(gè)無(wú)參構(gòu)造器，可以再給Foo類加上個(gè)無(wú)參構(gòu)造器就能編譯通過(guò)
}
?我們可以看到，通過(guò)where語(yǔ)句，可以對(duì)類型參數(shù)進(jìn)行約束，而且一個(gè)類型參數(shù)支持多個(gè)約束條件(例如K)，使其在實(shí)例化類型參數(shù)的時(shí)候，必須按照約束的條件對(duì)應(yīng)實(shí)例符合條件的類型，而where條件約束的作用就是起在編譯期約束類型參數(shù)的作用
out和in的約束
?說(shuō)到out和in之前，我們可以說(shuō)下協(xié)變和逆變，在C#中，只有泛型接口和泛型委托可以支持協(xié)變和逆變
協(xié)變
我們先看下代碼：
class FooBase{ }
class Foo : FooBase
{
}
interface IBar<T>
{
T GetValue(T t);
}
class Bar<T> : IBar<T>
{
public T GetValue(T t)
{
return t;
}
}
static void Test()
{
var foo = new Foo();
FooBase fooBase = foo;//編譯成功
IBar<Foo> bar = new Bar<Foo>();
IBar<FooBase> bar1 = bar;//編譯失敗
}
?這時(shí)候你可能會(huì)有點(diǎn)奇怪，為啥那段代碼會(huì)編譯失敗，明明Foo類可以隱式轉(zhuǎn)為FooBase，但作為泛型接口類型參數(shù)實(shí)例化卻并不能呢？使用out約束泛型接口IBar的T，那段代碼就會(huì)編譯正常，但是會(huì)引出另外一段編譯報(bào)錯(cuò)：
interface IBar<out T>
{
T GetValue(string str);//編譯成功
//T GetValue(T t);//編譯失敗 T不能作為形參輸入，用out約束T支持協(xié)變，T可以作為返回值輸出
}
IBar<Foo> bar = new Bar<Foo>();
IBar<FooBase> bar1 = bar;//編譯正常
因此我們可以得出以下結(jié)論：
由于
Foo繼承FooBase，本身子類Foo包含著父類允許訪問(wèn)的成員，因此能隱式轉(zhuǎn)換父類，這是類型安全的轉(zhuǎn)換，因此叫協(xié)變在為泛型接口用
out標(biāo)識(shí)其類型參數(shù)支持協(xié)變后，約束其方法的返回值和屬性的Get(本質(zhì)也是個(gè)返回值的方法)才能引用所聲明的類型參數(shù)，也就是作為輸出值，用out很明顯的突出了這一意思
而支持迭代的泛型接口IEnumerable也是這么定義的：
public interface IEnumerable<out T> : IEnumerable
{
new IEnumerator<T> GetEnumerator();
}
逆變
我們將上面代碼改下:
class FooBase{ }
class Foo : FooBase
{
}
interface IBar<T>
{
T GetValue(T t);
}
class Bar<T> : IBar<T>
{
public T GetValue(T t)
{
return t;
}
}
static void Test1()
{
var fooBase = new FooBase();
Foo foo = (Foo)fooBase;//編譯通過(guò)，運(yùn)行時(shí)報(bào)錯(cuò)
IBar<FooBase> bar = new Bar<FooBase>();
IBar<Foo> bar1 = (IBar<Foo>)bar;//編譯通過(guò)，運(yùn)行時(shí)報(bào)錯(cuò)
}
我們?cè)俑膭?dòng)下IBar，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)另外一處編譯失敗
interface IBar<in T>
{
void GetValue(T t);//編譯成功
//T GetValue(T t);//編譯失敗 T不能作為返回值輸出，用in約束T支持逆變，T可以作為返回值輸出
}
IBar<FooBase> bar = new Bar<FooBase>();
IBar<Foo> bar1 = (IBar<Foo>)bar;//編譯通過(guò)，運(yùn)行時(shí)不報(bào)錯(cuò)
IBar<Foo> bar1 = bar;//編譯通過(guò)，運(yùn)行時(shí)不報(bào)錯(cuò)
因此我們可以得出以下結(jié)論：
由于
FooBase是Foo的父類，并不包含子類的自由的成員，轉(zhuǎn)為為子類Foo是類型不安全的，因此在運(yùn)行時(shí)強(qiáng)式轉(zhuǎn)換的報(bào)錯(cuò)了，但編譯期是不能夠確認(rèn)的在為泛型接口用
in標(biāo)識(shí)其類型參數(shù)支持逆變后，in約束其接口成員不能將其作為返回值(輸出值),我們會(huì)發(fā)現(xiàn)協(xié)變和逆變正是一對(duì)反義詞這里提一句，值類型是不支持協(xié)變和逆變的
同樣的泛型委托Action就是個(gè)逆變的例子：
public delegate void Action<in T>(T obj);
五.泛型的反射
我們先來(lái)看看以下代碼:
static void Main(string[] args)
{
var lsInt = new ArrayExpandable<int>();
lsInt.Add(1);
var lsStr = new ArrayExpandable<string>();
lsStr.Add("ryzen");
var lsStr1 = new ArrayExpandable<string>();
lsStr.Add("ryzen");
}
然后通過(guò)ildasm查看其IL，開(kāi)啟視圖-》顯示標(biāo)記值，查看Main方法：
void Main(string[] args) cil managed
{
.entrypoint
// 代碼大小 52 (0x34)
.maxstack 2
.locals /*11000001*/ init (class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<int32> V_0,
class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<string> V_1,
class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<string> V_2)
IL_0000: nop
IL_0001: newobj instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<int32>/*1B000001*/::.ctor() /* 0A00000C */
IL_0006: stloc.0
IL_0007: ldloc.0
IL_0008: ldc.i4.1
IL_0009: callvirt instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<int32>/*1B000001*/::Add(!0) /* 0A00000D */
IL_000e: nop
IL_000f: newobj instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<string>/*1B000002*/::.ctor() /* 0A00000E */
IL_0014: stloc.1
IL_0015: ldloc.1
IL_0016: ldstr "ryzen" /* 70000001 */
IL_001b: callvirt instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<string>/*1B000002*/::Add(!0) /* 0A00000F */
IL_0020: nop
IL_0021: newobj instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<string>/*1B000002*/::.ctor() /* 0A00000E */
IL_0026: stloc.2
IL_0027: ldloc.1
IL_0028: ldstr "ryzen" /* 70000001 */
IL_002d: callvirt instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<string>/*1B000002*/::Add(!0) /* 0A00000F */
IL_0032: nop
IL_0033: ret
} // end of method Program::Main
打開(kāi)元數(shù)據(jù)表將上面所涉及到的元數(shù)據(jù)定義表和類型規(guī)格表列出：
metainfo:
-----------定義部分
TypeDef #2 (02000003)
-------------------------------------------------------
TypDefName: MetaTest.ArrayExpandable`1 (02000003)
Flags : [Public] [AutoLayout] [Class] [AnsiClass] [BeforeFieldInit] (00100001)
Extends : 0100000C [TypeRef] System.Object
1 Generic Parameters
(0) GenericParamToken : (2a000001) Name : T flags: 00000000 Owner: 02000003
Method #8 (0600000a)
-------------------------------------------------------
MethodName: Add (0600000A)
Flags : [Public] [HideBySig] [ReuseSlot] (00000086)
RVA : 0x000021f4
ImplFlags : [IL] [Managed] (00000000)
CallCnvntn: [DEFAULT]
hasThis
ReturnType: Void
1 Arguments
Argument #1: Var!0
1 Parameters
(1) ParamToken : (08000007) Name : value flags: [none] (00000000)
------類型規(guī)格部分
TypeSpec #1 (1b000001)
-------------------------------------------------------
TypeSpec : GenericInst Class MetaTest.ArrayExpandable`1< I4> //14代表int32
MemberRef #1 (0a00000c)
-------------------------------------------------------
Member: (0a00000c) .ctor:
CallCnvntn: [DEFAULT]
hasThis
ReturnType: Void
No arguments.
MemberRef #2 (0a00000d)
-------------------------------------------------------
Member: (0a00000d) Add:
CallCnvntn: [DEFAULT]
hasThis
ReturnType: Void
1 Arguments
Argument #1: Var!0
TypeSpec #2 (1b000002)
-------------------------------------------------------
TypeSpec : GenericInst Class MetaTest.ArrayExpandable`1< String>
MemberRef #1 (0a00000e)
-------------------------------------------------------
Member: (0a00000e) .ctor:
CallCnvntn: [DEFAULT]
hasThis
ReturnType: Void
No arguments.
MemberRef #2 (0a00000f)
-------------------------------------------------------
Member: (0a00000f) Add:
CallCnvntn: [DEFAULT]
hasThis
ReturnType: Void
1 Arguments
Argument #1: Var!0
?這時(shí)候我們就可以看出，元數(shù)據(jù)為泛型類ArrayExpandable<T>定義一份定義表,生成兩份規(guī)格，也就是當(dāng)你實(shí)例化類型參數(shù)為int和string的時(shí)候，分別生成了兩份規(guī)格代碼，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)以下的現(xiàn)象：
var lsInt = new ArrayExpandable<int>();//引用的是類型規(guī)格1b000001的成員0a00000c .ctor構(gòu)造
lsInt.Add(1);//引用的是類型規(guī)格1b000001的成員0a00000d Add
var lsStr = new ArrayExpandable<string>();//引用的是類型規(guī)格1b000002的成員0a00000e .ctor構(gòu)造
lsStr.Add("ryzen");//引用的是類型規(guī)格1b000002的成員0a00000f Add
var lsStr1 = new ArrayExpandable<string>();//和lsStr一樣
lsStr.Add("ryzen");//和lsStr一樣
?非常妙的是，當(dāng)你實(shí)例化兩個(gè)一樣的類型參數(shù)string，是共享一份類型規(guī)格的，也就是同享一份本地代碼，因此上面的代碼在線程堆棧和托管堆的大致是這樣的:
由于泛型也有元數(shù)據(jù)的存在，因此可以對(duì)其做反射：
Console.WriteLine($"-----------{nameof(lsInt)}---------------");
Console.WriteLine($"{nameof(lsInt)} is generic?:{lsInt.GetType().IsGenericType}");
Console.WriteLine($"Generic type:{lsInt.GetType().GetGenericArguments()[0].Name}");
Console.WriteLine("---------Menthods:");
foreach (var method in lsInt.GetType().GetMethods())
{
Console.WriteLine(method.Name);
}
Console.WriteLine("---------Properties:");
foreach (var property in lsInt.GetType().GetProperties())
{
Console.WriteLine($"{property.PropertyType.ToString()}:{property.Name}");
}
Console.WriteLine($"\n-----------{nameof(lsStr)}---------------");
Console.WriteLine($"{nameof(lsStr)} is generic?:{lsStr.GetType().IsGenericType}");
Console.WriteLine($"Generic type:{lsStr.GetType().GetGenericArguments()[0].Name}");
Console.WriteLine("---------Menthods:");
foreach (var method in lsStr.GetType().GetMethods())
{
Console.WriteLine(method.Name);
}
Console.WriteLine("---------Properties:");
foreach (var property in lsStr.GetType().GetProperties())
{
Console.WriteLine($"{property.PropertyType.ToString()}:{property.Name}");
}
輸出:
-----------lsInt---------------
lsInt is generic?:True
Generic type:Int32
---------Menthods:
get_Item
set_Item
get_Capacity
set_Capacity
get_Count
Add
GetType
ToString
Equals
GetHashCode
---------Properties:
System.Int32:Item
System.Int32:Capacity
System.Int32:Count
-----------lsStr---------------
lsStr is generic?:True
Generic type:String
---------Menthods:
get_Item
set_Item
get_Capacity
set_Capacity
get_Count
Add
GetType
ToString
Equals
GetHashCode
---------Properties:
System.String:Item
System.Int32:Capacity
System.Int32:Count
六.總結(jié)
?泛型編程作為.NET體系中一個(gè)很重要的編程思想，主要有以下亮點(diǎn)：
編譯期確定類型，避免值類型的拆裝箱和不必要的運(yùn)行時(shí)類型檢驗(yàn)，同樣運(yùn)行時(shí)也能通過(guò)
is和as進(jìn)行類型檢驗(yàn)通過(guò)約束進(jìn)行對(duì)類型參數(shù)實(shí)例化的范圍
同時(shí)在IL層面，實(shí)例化相同類型參數(shù)的時(shí)候共享一份本地代碼
由于元數(shù)據(jù)的存在，也能在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行反射，增強(qiáng)其靈活性
參考
Design and Implementation of Generics for the .NET Common Language Runtime
https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/programming-guide/generics/
《CLR Via C# 第四版》
《你必須知道的.NET(第二版)》
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