C#筆記 – 泛型

JIT編譯器對泛型的處理

• 對於不同的封閉類型，JIT的職責是將泛型類型的IL轉換成本地代碼

• 以List為例

  • JIT為每個以值類型作為類型實參的封閉類型都創建不同的代碼

  • 而所有使用引用類型作為類型實參的封閉類型都共享相同的本地代碼

    • 因為所有引用都具有相同的大小（32位CLR上限是4字節，64位CLR上限是8字節）

    • 無論實際引用的是甚麼，引用數組的大小不變，棧上所需的空間始終是相同的，都可以使用相同的寄存器優化措施

• 泛型的性能優勢

  • 以List和ArrayList為例

    • 如果將byte加到ArrayList中，需要對每個byte進行裝箱，並存儲對每個已裝箱值的引用

    • 而List用一個byte[]類型的成員數組替代了ArrayList中的object[]。

      • byte[]具有恰當的類型、會占用恰當的空間，因此在List中，是直接用一個byte[]來存儲數組元素的

  • 效能比較（假設使用的是一個32位CLR）

    • ArrayList

      • 每個已裝箱的字節都要產生8字符的對象開銷

      • 另加4字節用於數據本身（本身是1字節，但要向上取整至4字節）

      • 引用本身也要消耗4字節

      • 8 + 4 + 4 => 每個有效元素最少16字節

    • List

      • 每個字節佔用元素數據中一個字節的空間

    • 節省了空間，加快了執行速度，不需要花時間裝箱，不需要因拆箱而檢查類型，不需要對不再引用的已裝箱值進行回收

泛型和反射

• 反射的一切都是圍繞「檢查對象及其類型」展開，最重要的是獲取System.Type對象的引用。這樣就可以訪問與特定類型有關的所有信息。

• 對泛型使用typeof操作符

  • 獲取泛型類型定義

    • 提供聲明的類型名稱，刪除所有類型參數名稱，但保留逗號

  • 獲取特定的已構造類型

    • 採取與聲明泛型類型變量時相同的方式指定類型實參即可

  • static void DemonstrateTypeof<T>()
    {
        Console.WriteLine(typeof(T)); //顯示類型參數
        
        //顯示泛型類型
        Console.WriteLine(typeof(List<>));
        Console.WriteLine(typeof(Dictionary<, >));
        
        //顯示封閉類型（使用了類型參數）
        Console.WriteLine(typeof(List<T>));
        Console.WriteLine(typeof(Dictionary<string, T>));
        
        //顯示封閉類型
        Console.WriteLine(typeof(List<long>));
        Console.WriteLine(typeof(Dictionary<long, Guid>));
    }
    ...
    DemonstrateTypeof<int>();
    
    //Output
    //在IL中，類型參數的數量是在框架所用的完整類型名稱中指定的
    //在完整的名稱之後有一個`字符，之後的數字是參數數量，再然後顯示參數類型的方括號
    System.Int32
        
    System.Collections.Generic.List`1[T]
    System.Collections.Generic.Dictionary`2[TKey, TValue]
        
    System.Collection.Generic.List`1[System.Int32]
    System.Collections.Generic.Dictionary`2[System.String, System.Int32]
        
    System.Collections.Generic.List`1[System.Int64]
    System.Collections.Generic.Dictionary`2[System.Int64, System.Guid]

• System.Type的屬性和方法

  • 最重要的兩個方法：

    • GetGenericTypeDefinition

      • 作用於已構造的類型，獲取它的泛型類型定義

    • MakeGenericType

      • 作用於泛型類型定義，返回一個已構造類型

  • 和普通類型一樣，任何特定的類型只有一個Type對象

    • 如果調用兩次MakeGenericType，每次都傳遞相同的類型作為參數，就返回同一個引用

    • 如果用同一個泛型類型定義構造了兩個類型，並對這兩個類型調用GetGenericTypeDefinition，同樣會返回相同的結果，即使構造的類型不相同

• 反射泛型方法

  • 通過反射來調用泛型方法

  • namespace CSharpInDepth
    {
        class Program
        {
            static void Main(string[] args)
            {
                //獲取目標方法所在類的Type
                Type type = typeof(Snippet);
                
                //通過type.GetMethod得到泛型方法定義
                //如果要獲取類型參數數量不同的多個重載方法，.NET Framework在Type中，
                //沒有任何方法允許指定類型參數的數量，只能通過Type.GetMethods（注意有s）獲取所有方法，并從中查找合適的那一個
                MethodInfo definition = type.GetMethod("PrintTypeParameter");
                
                //通過MakeGenericMethod返回一個已構造的泛型方法
                MethodInfo constructed = definition.MakeGenericMethod(typeof(string));
                constructed.Invoke(null, null);
                Console.ReadLine();
            }
         }
         
         class Snippet
         {
              public static void PrintTypeParameter<T>()
             {
                  Console.WriteLine(typeof(T));
             }
         }
    }

  • 另外，從泛型類型定義獲取的方法不能直接調用，相反，必須從一個已構造的類型獲取方法。

泛型的好處

• 安全性：編譯器能提前驗證類型的有效性

• 性能：消除大部分情況的裝拆箱處理，尤其是值類型

• 代碼可讀性提高

泛型的限制

• 可變性的缺乏

• • 泛型不支持可變性（協變性和逆變性），它是「不變體」（invariant）

    • 協變（Covariance）：派生類轉基類

    • 逆變（Contravariance）：基類轉派生類

  • 為甚麼不支持協變性

    • class Animal{}
      class Cat : Animal{}
      class Turtle : Animal{}
      
      //非泛型，編譯時有效，執行時無效
      Animal[] animals = new Cat[5];
      animals[0] = new Turtle();
      
      //泛型，編譯與執行時無效
      List<Animal> animals = new List<Cat>();
      animals.Add(new Turtle());

    • 編譯器對於兩者的第二行代碼都沒有問題，但是泛型例子第一行會報錯

      • error CS0029: Cannot implicity convert type ‘System.Collections.Generic.List‘ to ‘System.Collections.Generic.List‘

    • 在非泛型例子中，animals實際引用的是一個Cat[]；在泛型例子中，animals實際引用的是一個List

      • 非泛型例子雖然可以編譯，但執行時同樣會失敗

        • 在C#語言的第一個版本中，希望盡可能面對多的用戶，因此允許支持從Java中編譯過來的代碼。

        • 所以，.NET之所以有協變數組，是因為Java有協變數組

  • 當進行「輸入」行為時，協變性的允許會破壞類型安全；當進行「輸出」行為時，逆變性的允許也會破壞類型安全

    • 但是，如果是只允許「輸出」行為發生協變；「輸入」行為發生逆變，類型就是安全的

    • 所以協變用於返回值；逆變用於傳入值

    • Reference: https://www.cnblogs.com/zhaopei/p/variability.html