.NET面试题系列[8] - 泛型

可变性是以一种类型安全的方式,将一个对象作为另一个对象来使用。“ - Jon Skeet

泛型

泛型相比反射,委托等较为抽象的概念要更接地气得多,而且在平常工作时,我们几乎时刻都和泛型有接触。大部分人对泛型都是比较熟悉的。

泛型集合是类型安全的集合。相对于泛型System.Collections.Generic,我们有类型不安全的集合System.Collections,其中的成员均为Object类型。一个经典的例子是ArrayList。

在使用ArrayList时,我们可以插入任意类型的数据,如果插入值类型的数据,其都会装箱为Object类型。这造成类型不安全,我们不知道取出的数据是不是想要的类型。泛型(集合)的数据类型是统一的,是类型安全的,没有装箱和拆箱问题,提供了更好的性能。为泛型变量设置默认值时常使用default关键字进行:T temp = default(T)。如果T为引用类型,则temp为null,如果T为值类型,则temp为0。

ArrayList的泛型集合版本为List<T>。T称为类型参数。调用时指定的具体类型叫做实际参数(实参)。

面试必须知道的泛型三大好处:类型安全,增强性能,代码复用。

泛型集合的使用契机:几乎任何时候,都不考虑不用泛型集合代替泛型集合。很多非泛型集合也有了自己的泛型版本,例如栈,队列等。

泛型方法

泛型方法的使用契机一般为传入类型可能有很多种,但处理方式却相同的情境。这时我们可以不需要写很多个重载,而考虑用泛型方法达到代码复用的目的。配合泛型约束,可以写出更严谨的方法。泛型委托也可以看成是泛型方法的一种应用。

例如交换两个同类型变量的值:

static void Swap<T>(ref T lhs, ref T rhs)
{
    T temp;
    temp = lhs;
    lhs = rhs;
    rhs = temp;
}

泛型约束

约束的作用是限制能指定成泛型实参(即T的具体类型)的数量。通过限制类型的数量,可以对这些类型执行更多的操作。例如下面的方法,T被约束为必须是实现了IComparable接口的类型。此时,传入的T除了拥有object类型的方法之外,还额外多了一个CompareTo方法。由于保证了传入的T必须是实现了IComparable接口的类型,就可以肯定T类型一定含有CompareTo方法。如果去掉约束,o1是没有CompareTo方法的。

static int Compare<T>(T o1, T o2) where T : IComparable<T>
{
     return o1.CompareTo(o2);
}

此时如果将object类型的数据传入方法,则会报错。因为object没有实现IComparable<T>接口。

泛型约束分为如下几类:

  • 接口约束:泛型实参必须实现某个接口。接口约束可以有多个。
  • 基类型约束:泛型实参必须是某个基类的派生类。特别的,可以指定T : class / T : struct,此时T分别只能为引用类型或值类型。基类型约束必须放在其他约束之前。
  • 构造函数new()约束:泛型实参必须具有可访问的无参数构造函数(默认的也可)。new()约束出现在where子句的最后。

如果泛型方法没有任何约束,则传入的对象会被视为object。它们的功能比较有限。不能使用 != 和 == 运算符,因为无法保证具体类型参数能支持这些运算符。

协变和逆变

可变性是以一种类型安全的方式,将一个对象作为另一个对象来使用。其对应的术语则是不变性(invariant)。

可变性

可变性是以一种类型安全的方式,将一个对象作为另一个对象来使用。例如对普通继承中的可变性:若某方法声明返回类型为Stream,在实现时可以返回一个MemoryStream。可变性有两种类型:协变和逆变。

协变性:可以建立一个较为一般类型的变量,然后为其赋值,值是一个较为特殊类型的变量。例如:

string str = "test";
// An object of a more derived type is assigned to an object of a less derived type. 
object obj = str;

因为string肯定是一个object,所以这样的变化非常正常。 

逆变性:在上面的例子中,我们无法将str和一个新的object对象画等号。如果强行要实现的话,只能这么干:

string s = (string) new object();

但这样还是会在运行时出错。这也告诉我们,逆变性是很不正常的。

泛型的协变与逆变

协变性和out关键字搭配使用,用于向调用者返回某项操作的值。例如下面的接口仅有一个方法,就是生产一个T类型的实例。那么我们可以传入一个特定类型。如我们可以将IFactory<Pizza>视为IFactory<Food>。这也适用于Food的所有子类型。(即将其视为一个更一般类型的实现)

    interface IFactory<T>
    {
        T CreateInstance();
    }

逆变性则相反,和in关键字搭配使用,指的是API将会消费值,而不是生产值。此时一般类型出现在参数中:

    interface IPrint<T>
    {
        void Print(T value);
    }

这意味着如果我们实现了IPrint<Code>,我们就可以将其当做IPrint<CsharpCode>使用。(即将其视为一个更具体类型的实现)

如果存在双向的传递,则什么也不会发生。这种类型是不变体(invariant)。

     interface IStorage<T>
    {
        byte[] Serialize(T value);
        T Deserialize(byte[] data);
    }

这个接口是不变体。我们不能将它视为一个更具体或更一般类型的实现。

假设有如下继承关系People –> Teacher,People –> Student。

如果我们以协变的方式使用(假设你建立了一个IStorage< Teacher >的实例,并将其视为IStorage<People>)则我们可能会在调用Serialize时产生异常,因为Serialize方法不支持协变(如果参数是People的其他子类,例如Student,则IStorage< Teacher >将无法序列化Student)。

如果我们以逆变的方式使用(假设你建立了一个IStorage<People>的实例,并将其视为IStorage< Teacher >),则我们可能会在调用Deserialize时产生异常,因为Deserialize方法不支持逆变,它只能返回People不能返回Teacher。

使用in和out表示可变性

如果类型参数用于输出,就使用out,如果用于输入,就使用in。注意,协变和逆变性体现在泛型类T和T的派生类。目前out 和in 关键字只能在接口和委托中使用。

IEnumerable<out T>支持协变性

IEnumerable<T>支持协变性,它允许一个类似下面签名

void 方法(IEnumerable<T> anIEnumberable)

的方法,该方法传入更具体的类型(T的派生类),但在方法内部,类型会被看成IEnumerable<T>。注意out关键字。

下面的例子演示了协变性。我们利用IEnumerable<T>的协变性,传入较为具体的类型Circle。编译器会将其看成较为抽象的类型Shape。

    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            var circles = new List<Circle>
            {
                new Circle(new Point(0, 0), 15),
                new Circle(new Point(10, 5), 20),
            };
            var list = new List<IShape>();

            //泛型的协变:
            //AddRange传入的是特殊的类型List<Circle>,但要求是一般的类型List<IShape>
            //AddRange方法签名:void AddRange(IEnumerable<T> collection)
            //IEnumerable<out T>允许协变(对于LINQ来说,协变尤其重要,因为很多API都表示为IEnumerable<T>)
            list.AddRange(circles);

            //C# 4.0之前只能这么做
            list.AddRange(circles.Cast<IShape>());
        }
    }

    public sealed class Circle : IShape
    {
        private readonly Point center;
        public Point Center { get { return center; } }

        private readonly double radius;
        public double Radius { get { return radius; } }

        public Circle(Point center, int radius)
        {
            this.center = center;
            this.radius = radius;
        }

        public double Area
        {
            get { return Math.PI * radius * radius; }
        }
    }

    public interface IShape
    {
        double Area { get; }
    }

IComparer<in T>支持逆变性

IComparer支持逆变性。我们可以简单的实现一个可以比较任何图形面积的方法,传入的输入类型(in)是最General的类型IShape。之后,在使用时,我们获得的结果是较为具体的类型Circle。因为任何图形都可以比较面积,圆形当然也可以。

注意IComparer的签名是public interface IComparer<in T>。

    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            var circles = new List<Circle>
            {
                new Circle(new Point(0, 0), 15),
                new Circle(new Point(10, 5), 20),
            };

            //泛型的逆变:
            //AreaComparer可以比较任意图形的面积,但我们可以传入具体的图形例如圆或正方形
                //Compare方法签名:Compare(IShape x, IShape y)
            //IComparer<in T>支持逆变
            //传入的是圆形Circle,但要求的输入是IShape
            circles.Sort(new AreaComparer());
        }
    }

    class AreaComparer : IComparer<IShape>
    {
        public int Compare(IShape x, IShape y)
        {
            return x.Area.CompareTo(y.Area);
        }
    }

C#中泛型可变性的限制

1. 不支持类的类型参数的可变性。只有接口和委托可以拥有可变的类型参数。in 和 out 修饰符只能用来修饰泛型接口和泛型委托。

2. 可变性只支持引用转换。可变性只能用于引用类型,禁止任何值类型和用户定义的转换,如下面的转换是无效的:

  • 将 IEnumerable<int> 转换为 IEnumerable<object> ——装箱转换
  • 将 IEnumerable<short> 转换为 IEnumerable<int> ——值类型转换
  • 将 IEnumerable<string> 转换为 IEnumerable<XName> ——用户定义的转换

3. 类型参数使用了 out 或者 ref 将禁止可变性。对于泛型类型参数来说,如果要将该类型的实参传给使用 out 或者 ref 关键字的方法,便不允许可变性,如:

delegate void someDelegate<in T>(ref T t)

这段代码编译器会报错。

4. 可变性必须显式指定。从实现上来说编译器完全可以自己判断哪些泛型参数能够逆变和协变,但实际却没有这么做,这是因为C#的开发团队认为:必须由开发者明确的指定可变性,因为这会促使开发者考虑他们的行为将会带来什么后果,从而思考他们的设计是否合理。

5. 多播委托与可变性不能混用。下面的代码能够通过编译,但是在运行时会抛出 ArgumentException 异常:

Func<string> stringFunc = () => "";
Func<object> objectFunc = () => new object();
Func<object> combined = objectFunc + stringFunc;

这是因为负责链接多个委托的 Delegate.Combine方法要求参数必须为相同的类型,而上面的两个泛型委托的输出一个为字符串,另一个为object。上面的示例我们可以修改成如下正确的代码:

Func<string> stringFunc = () => "";
Func<object> defensiveCopy = new Func<object>(stringFunc);
Func<object> objectFunc = () => new object();
Func<object> combined = objectFunc + defensiveCopy;

此时两个泛型委托的输出均为object。

协变与逆变的相互作用

以下的代码中,接口IBar中有一个方法,其接受另一个接口IFoo作为参数。IFoo是支持协变的。这样会出现一个问题。

    interface IFoo<in T>
    {

    }

    interface IBar<in T>
    {
        void Test(IFoo<T> foo);
    }

假设T为字符串类型。则如果有一类Bar <T>: IBar<T>,另一类Foo<T>:IFoo<T>,则Bar的某个实例应该可以这样调用方法:aBar.Test (foo)。

    class Bar<T> : IBar<T>
    {
        public void Test(IFoo<T> foo)
        {
            throw new NotImplementedException();
        }
    }

    class Foo<T> : IFoo<T>
    {
        
    }

    class Program
    {
        public static void Main()
        {
            Bar<string> aBar = new Bar<string>();
            Foo<object> foo = new Foo<object>();
            aBar.Test(foo);
        }
    }

当调用方法之后,传入的参数类型是Foo<object>。我们再看看方法的签名:

    interface IBar<in T>
    {
        void Test(IFoo<T> foo);
    }

现在我们的aBar的类型参数T是string,所以,我们期待的Test方法的传入类型也应该是IFoo<string>,或者能够变化成IFoo<string>的类型,但传入的却是一个object。所以,这两个接口的方法的写法是有问题的。

    interface IFoo<out T>
    {

    }

当把IFoo接口的签名改用out修饰之后,问题就解决了。此时由于允许逆变,Foo<object>就可以变化成IFoo<string>了。不过本人眼光短浅,目前还没发现这个特点在实际工作中有什么应用。

参考资料

http://www.cnblogs.com/LoveJenny/archive/2012/03/13/2392747.html

http://www.cnblogs.com/xinchufa/p/3524452.html

http://www.cnblogs.com/Ninputer/archive/2008/11/22/generic_covariant.html

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