深入理解C# 3.x的新特性(2):Extension Method[上篇]

在C#3.0中,引入了一些列新的特性,比如: Implicitly typed local variable, Extension method,Lambda expression, Object initializer, Anonymous type, Implicitly typed array, Query expression, Expression tree. 个人觉得在这一系列新特性的,最具创新意义的还是Extension method,它从根本上解决了这样的问题:在保持现有Type原封不动的情况下对其进行扩展,你可以在对Type的定义不做任何变动的情况下,为之添加所需的方法成员。在继《深入理解C# 3.0的新特性(1): Anonymous Type 》之后,在这篇文章中,我将介绍我自己对Extension method这个新特性的理解。

一、Prototype in JavaScript

为了说明Extension method到底是为了解决怎样的问题,我首先给出一个类似的、大家都比较熟悉的应用:JavaScript 中的Prototype。

比如我们在JS通过function定义了一个Vector class,代表一个2维向量。

function Vector (x,y)
{
     this.x = x;
     this.y = y;
}

现在我们需要在不改变Vector定义的前提下,为之添加相关的进行向量运算的Method。比如我们现在需要添加一个进行两个向量相加运算的adds方法。在JS中,我们很容易通过Prototype实现这一功能:

Vector.prototype.adds = function(v)
{
    if(v instanceof Vector)
     {
               return new Vector(this.x+v.x, this.y + v.y);
      }
      else
      {
              alert("Invalid Vector object!");
      }
}

那么,通过添加上面的一段代码,我们完全可以把adds方法作为Vector的一个方法成员。现在我们可以这样的方式来写代码:

var v = new Vector (1,2);
v= v.adds(v);
alert("x = " +v.x + ", y = "+v.y);

Extension Method之于C# 3.0就如同Prototype之于JavaScript。 

二、如何在C# 2.0中解决Type的扩展性

我们一个完全一样的问题从弱类型、解释型的编程语言JavaScript迁移到C#这种强类型、编译型的语言上来。我们先看看在不能借助Extension Method这一新特性的C# 2.0中,我们是如何解决这一问题。

我们先来看看如何对一个Interface进行扩张。假设我们有如下的一个IVector interface的定义:

public interface IVector
{
        double X { get; set; }
        double Y { get; set; }
}

我们希望的是如何对这个Interface进行扩展,为之添加一个Adds Method执行向量相加的运算。我们唯一的解决方案就是直接在这个Interface中添加一个Adds成员:

public interface IVector
{
        double X { get; set; }
        double Y { get; set; }
        IVector Adds(IVector vector);
}

由于Interface和实现它的Type的紧密联系:所以实现了某个Interface的Type必须实现该Interface的所有方法。所以,我们添加了Adds Method,将导致所有实现它的Type的重新定义和编译,在很多情况下,这种代价我们是负担不起的:比如在系统的后期维护阶段,对系统的进行局部和全部的重新编译,将很有可以导致一个正常运行的系统崩溃。Interface的这种局限性在面向抽象设计和编程中应该得到充分的考虑,这也是我们在很多情况下宁愿使用Abstract Class的一个主要原因。

上面说到了对Interface的扩展,会出现必须实现Interface的Type进行改动的风险。我想有人会说,对Class尽心扩展就不会出现这样的情况了吧。不错,Class的继承性确保我们在Parent class添加的Public/Protect能被Child Class继承。比如:如果Vector是一个Super Class:

public class Vector 
    {
        private double _x;
        private double _y;

        public double X
        {
            get {return this._x;}
            set { this._x = value;}
        }

        public double Y
        {
            get { return this._y;}
            set {this._y = value;}
        }
}

如果我们在Vector Class中添加一个Adds Method,所有的Child Class都不会受到影响。

但是在很多情况下,对于我们需要扩展的Interface或者是Type,我们是完全不能做任何改动。比如,某个Type定义在一个由第三方提供的Assembly中。在现有的情况下,对于这样的需求我们将无能为力。我们常用的方法就自己定义的Class去继承这个需要扩展,将需要添加的成员定义在我们自己定义的Class中,如果对于一个Sealed Class又该如何呢?即便不是Sealed Class,这作用方式也没有完成我们预定的要求:我们要求的是对这个不能变动的Type进行扩展,也就是所这个不能变动的Type的Instance具有我们添加的对象。

如果你在完全了解Extension Method的前提下听到这样的要求:我们要对一个Type或者Interface进行扩展,却不允许我们修改它。这个要求确实有点苛刻。但是,不能否认的是,这样需要在现实中的运用是相当广泛的。所以我说,Extension Method在所有提供的新特性中,是具有价值的一个。

三、C# 3.0中如何解决Type的扩展性

理解了我们的具体需要和现有编程语言的局限性后,我们来看看C# 3.0中是如何通过Extension Method解决这个问题的。

简单地说Extension Method是一个定义在Static Class的一个特殊的Static  Method。之所以说这个Static Method特别,是因为Extension Method不但能按照Static Method的语法进行调用,还能按照Instance Method的语法进行调用。

我们还是先来看例子,首先是我们需要进行扩展的Vector Type的定义:

public class Vector 
{
        private double _x;
        private double _y;

        public double X
        {
            get {return this._x;}
            set { this._x = value;}
        }

        public double Y
        {
            get { return this._y;}
            set {this._y = value;}
        }
}

在不对Vector Class的定义进行更新的前提下,我们把需要添加的Adds方法定义在一个Static Class中:

public static class Extension
    {    
        public static Vector Adds(this Vector p,Vector p1)
        {
            return new Vector { X = p.X + p1.X, Y = p.Y + p1.Y };
        }
}

这个Extension Method:Adds是一个Static方法。和一般的Static方法不同的是:在第一个参数前添加了一个this 关键字。这是在C# 3.0中定义Extension Method而引入的关键字。添加了这样一个关键字就意味着在调用该方法的时候这个标记有this的参数可以前置,从而允许我们向调用一般Instance Method的方式来调用这个Static Method。比如:

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            var v = new Vector { X = 1, Y = 2 };
            v = v.Adds(v);
            Console.WriteLine("v.X = {0} and v.Y = {1}", v.X, v.Y);
        }
}

注:this关键字只能用于标记第一个参数。

通过上面的介绍,我们知道在C# 3.0如何通过定义Extension Method在不对Type作任何修改的前提下对Type进行扩展。至于Extension Method的本质:C# Compiler在编译Extension Method时会做怎样处理;在最终被编译成的Assembly中相关的IL具有怎样的特征;Extension Method的优先级,如果有兴趣,可以参考《深入理解C# 3.0的新特性(2):Extension Method - Part II》,此外在第二部分中,我会给出一个完整的Sample:通过Extension Method定义一个形如LINQ中常见的Operator,完成基于LINQ的查询功能。 

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