讓泛型的思維紮根在腦海——深刻理解泛型
1.前言
往往一些剛接觸C#程式設計的初學者，對於泛型的認識就是直接跳到對泛型集合的使用上，雖然微軟為我們提供了很多內建的泛型型別，但是如果我們只是片面的瞭解呼叫方式，這會導致我們對泛型盲目的使用。至於為什麼要使用泛型，什麼情況下定義屬於自己的泛型，定義泛型又能為程式帶來哪些好處。要理清這些問題，我們就必須深刻理解泛型的本質，形成泛型程式設計的思維方式。
接下來我將基於一個基礎範例，然後通過需求不斷的演化範例，從而讓泛型在關鍵時刻脫穎而出，以便讓我們能夠深刻體會泛型的作用。假設.NET沒有為我們提供用於儲存資料的集合，而我們需要一個能夠用於儲存string元素的集合，基於這個情況我們自定義了一個用於儲存字串的集合類：
class ArraryStr
{
public ArraryStr()
{
_items = new string[100]; //初始化儲存元素的容量，只是為了演示故將容量定義為固定值
}
private string[] _items; //儲存元素的陣列
private int _count; //元素總數
public int Count
{
get { return _count; }
}
public void Add(string item) //新增元素
{
_items[_count] = item;
_count++;
}
public string this[int index] //索引
{
get { return _items[index]; }
set { _items[index] = value; }
}
} // END ArraryStr
為了驗證自定義string集合的可行性，我們對其進行了如下的應用：
1 ArraryStr arraryStr = new ArraryStr();
2 arraryStr.Add("張三");
3 Console.WriteLine(arraryStr[0]);
2.重複
目前對於建立string型別的集合已經大功告成，而此刻我們又接到了一個新的需求，即我們需要一個集合儲存int型別的元素。基於自定義string集合的經驗來看，我們可以發現，string集合型別和我們即將要建立的int集合型別的結構和內容幾乎是一樣的。這就意味著我們可以使用江湖盛行的「複製大法」，將之前的程式碼複製一遍，然後輕微修改下即可。下面是兩個集合型別程式碼的對比圖。
在早年有款熱門的遊戲叫做「大家來找茬」，該遊戲主要玩法就是在兩個大致相同的圖片中，查詢兩者之間的細微差異之處。我們使用的「複製大法」，促使我們編寫的程式碼形成了可以用於這個遊戲遊玩的場景。「對於上面的兩個程式碼截圖，你能找出圖中不同的地方嗎？」
對於軟體開發者而言，面對的最主要的敵人就是「變化」，假設後面還會出現N個型別的元素需要我們定義集合來儲存，那我們是不是要將相同的程式碼無窮盡的複製下去？DRY（Don't Repeat Yourself，不要重複自己），請記住這是作為一名軟體開發者編碼的原則，「複製大法」很明顯的違背了這個原則。
3.安全和效能
通過「複製，貼上」的手段可以很明顯的感受到我們在做重複的事情，在重複中我們可以發現：集合儲存的型別在增加，但是集合的結構和新增元素的方法都是相同的邏輯。簡單來說就是，不同型別的處理，其處理邏輯都是類似的。基於這個特點，為了滿足自定義集合能夠應對所有型別的儲存，我們必須使用一個通用型別來作為代表，此時此刻我們腦海中就能浮現出一句話：object是一切型別的基礎類別。這就意味著我們新增的所有型別，都可以隱式的轉換為object型別，從而使得自定義集合可以新增任何型別的元素。讓我們來運用這個object型別來試試：
class ArraryList
{
public ArraryList() { _items = new object[100]; }
private object[] _items;
private int _count;
public int Count
{
get { return _count; }
}
public void Add(object item)
{
_items[_count] = item;
_count++;
}
public object this[int index]
{
get { return _items[index]; }
set { _items[index] = value; }
}
} // END ArraryStr
internal class Program
{
static void Main(string[] args)
{
ArraryList arraryList = new ArraryList();
arraryList.Add("張三");
arraryList.Add(18);
string name = (string)arraryList[0];
int age = (int)arraryList[1];
} // END Main（）
}
在上面的程式碼中，我們結合了object是一切型別基礎類別的特點，對集合型別進行改造，併成功的使用該方式的集合新增了不同型別的元素。雖然在使用的角度來看已經完美無缺(可以新增任何型別)，但是獲取集合元素進行賦值的時候，還使用了型別強制轉換的手段。這是因為這種方式存在很嚴重的問題，主要包括以下兩個方面：
- 型別安全方面，如果集合的第一個元素是sting型別，但是你客觀認為是int型別，於是你在獲取時進行了int型別的強制轉換，這個時候程式碼不會提示錯誤且可以正常編譯，那麼這就意味著程式在執行時會產生一個你無法預料的型別無效轉換的異常。
- 效能方面，值型別元素新增到集合時，必然會存在裝箱操作；而在獲取元素並賦值給一個值型別變數時，又會發生相應的拆箱操作。這種拆箱和裝箱的操作，在操作大量元素時會大幅度的損失程式的效能。
到目前位置，我們還是沒有能建立一個能夠儲存任何型別的集合，但是我們可以對於上述的範例演變的過程進行一個總結：對於不同型別有相同處理邏輯的情況，如果一味的複製會導致我們出現重複程式碼，如果使用object來作為解決重複的方案，會存在型別安全和效能的問題。至於如何讓徹底解決這些問題，這就要說到了本文講解的主題——泛型。
4.程式碼模板
C#中有兩種不同的機制來編寫跨型別（一個型別代替多個型別）可複用的程式碼：繼承和泛型。繼承的複用性來自於基礎類別，而泛型的複用性是通過帶有「預留位置」的程式碼模板型別實現的。繼承實現複用是站在物件導向的角度思考的，而泛型的複用是站在實現特定功能上思考的。相比於繼承，泛型不用遵循里氏替換原則，並且能夠提高型別的安全性，減少型別轉換帶來的拆箱和裝箱。
怎麼樣理解泛型？泛型本質上相當於一種「程式碼模板」，可以用一套程式碼，為不同型別的同一邏輯使用統一的方式實現。其中「模板」一詞的概念需要進行深刻的體會。例如，公司在招聘時會與用人方簽訂勞動合同，而這個勞動合同的主要內容對於所有人來說幾乎都是一樣的，只是在極個別的地方有所差異，如薪資、姓名等。所以公司不會為某個人（張三或李四）去特意的制定合同，而是會統一制定一份勞動合同作為模板，將其中針對個人存在差異的部分通過「下劃線」進行佔位預留，「下劃線」的值將在簽訂合同時由具體的聘用者根據自身情況填寫。
對於這種模板方式的使用，公司在制定合同時則不用考慮簽訂合同的人具體是誰，因為勞動合同(模板)和使用者是分開的，所以公司只用專注於合同的主要內容即可。而我們在實際的程式設計運用中，使用泛型的目的，其實和公司制定通用的勞動合同模板是一個道理。假設你的公司需要僱傭100名員工時，你不希望為每一個人都制定一個專屬的合同吧？假設你的程式碼中，如果遇到10個型別，它們的操作處理邏輯都一樣時，你不希望為這個10個型別寫10個處理方式吧？
通過上面的介紹和例子，接下來我們將泛型運用到我們的範例中來，程式碼如下：
1 class ArraryList<T>
2 {
3 public ArraryList() { _items = new T[100]; }
4
5 private T[] _items;
6 private int _count;
7 public int Count
8 {
9 get { return _count; }
10 }
11
12 public void Add(T item)
13 {
14 _items[_count] = item;
15 _count++;
16 }
17
18 public T this[int index]
19 {
20 get { return _items[index]; }
21 set { _items[index] = value; }
22 }
23 } // END ArraryStr
24 internal class Program
25 {
26 static void Main(string[] args)
27 {
28 ArraryList<string> arraryStr = new ArraryList<string>();
29 arraryStr.Add("張三");
30 Console.WriteLine(arraryStr[0]);
31
32 ArraryList<int> arraryInt = new ArraryList<int>();
33 arraryInt.Add(18);
34 Console.WriteLine(arraryInt[0]);
35
36 } // END Main（）
37
38 }
5.型別引數
在上面的程式碼中，我們將集合型別定義為了泛型類，該型別中出現的T屬於泛型中的型別引數(Type Parameter)。泛型為了達到通用處理的目的，所以不能將某個具體型別作為處理的目標型別，故而將要處理的型別用「T」作為一個型別預留位置。
「T」並不是真正的資料型別，它更像是泛型使用的型別藍圖，所以在使用時，泛型型別的消費者必須將一個具體型別作為「型別引數」傳遞到尖括號內，以此構造一個有明確處理型別的泛型範例。所以我們在外部使用泛型時不能以：「ArraryList<T>list =new ArraryList<T>()」、「T t=new T()」這種方式去範例化泛型型別。另外，「T」本身僅僅是型別引數的名稱，它只是代表了型別引數的標識而已，這意味著我們可以使用其他字元來為型別引數命名。
6.替換
通過型別引數的使用我們可以得知，泛型型別程式碼在靜態階段沒有明確的型別，那麼在程式執行的時候，它又是如何和使用時指定的「型別引數」進行對接的呢？為了搞清楚這個問題，下面我們來了解下泛型執行時的本質。
我們編寫的C#程式在編譯後生成的程式碼，並不是計算機可以直接執行的程式碼，而是會生成CIL（通用中間語言）程式碼幷包含在程式集中，如果想要生成計算機可執行的程式碼，則還需要JIT（即時編譯器）對CIL程式碼進行二次編譯。然而泛型型別確認其具體型別的時機，就在JIT進行二次編譯時，JIT編譯的程式碼如果包含了泛型的內容，那麼它會根據泛型型別的消費者指定的型別引數，將CIL中泛型程式碼中的預留位置T替換為一個具體的型別，從而明確當前執行的泛型程式碼是針對哪個型別來使用的，其中替換的過程是由CLR在執行時進行主導，JIT來實際操作完成的。這個在執行時確認了型別的泛型又被稱之為「封閉型別」，反之在執行時確認之前的泛型稱為「開放型別」。
泛型使用預留位置在執行時替換具體型別的機制，其實和本文中例舉勞動合同模板使用「下劃線」的方式有同樣的思想。在指定勞動合同模板時，對於聘用者的姓名並不能寫一個具體的名字，因為模板的目的是為了通用化，所以對於名字採用了「下劃線」的方式。當公司與某個具體的人簽訂合同的時候，勞動合同模板中的下劃線將由聘用者根據自身情況填寫。回到泛型中其使用思想也是如此，我們使用泛型的目的是為了讓多個型別的處理通用化，所以在定義泛型程式碼的時候並不能指定一個具體型別，故使用型別引數T進行代替，這個型別引數T就相當於勞動合同模板中的「下劃線」，當泛型在實際執行的時候，JIT會根據泛型消費者指定的具體型別與預留位置T進行替換。