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C# 中泛型（Generics）‌的核心概念

news 来源：原创 2025/5/1 3:57:53

在 C# 中，‌泛型（Generics）‌ 是一种强大的编程特性，允许你编写可重用、类型安全的代码，而无需为不同类型重复编写相似的逻辑。泛型的核心思想是‌参数化类型‌，即通过占位符（如 T）表示类型，在编译时确定具体类型。以下是泛型的详细讲解：

‌1. 泛型的基本概念‌

类型参数化‌：用占位符（如 T、TKey、TValue）代替具体类型。
编译时类型安全‌：泛型在编译时检查类型一致性，避免运行时类型错误。
避免装箱拆箱‌：泛型可避免值类型和引用类型之间的转换（如 List 比 ArrayList 更高效）。

‌2. 泛型的实现方式‌

‌(1) 泛型类‌

public class GenericClass<T>
{
    private T _value;

    public void SetValue(T value)
    {
        _value = value;
    }

    public T GetValue()
    {
        return _value;
    }
}

// 使用示例
var intClass = new GenericClass<int>();
intClass.SetValue(42);
int value = intClass.GetValue();  // 类型安全，直接返回 int

‌(2) 泛型方法‌

public class Utility
{
    public static T Max<T>(T a, T b) where T : IComparable<T>
    {
        return a.CompareTo(b) > 0 ? a : b;
    }
}

// 使用示例
int maxInt = Utility.Max(3, 5);          // 返回 5
string maxStr = Utility.Max("A", "B");   // 返回 "B"

‌(3) 泛型接口‌

public interface IRepository<T>
{
    void Add(T entity);
    T GetById(int id);
}

public class UserRepository : IRepository<User>
{
    public void Add(User user) { /* 实现 */ }
    public User GetById(int id) { /* 实现 */ }
}

‌3. 泛型约束（Constraints）‌

通过 where 关键字限制泛型类型参数的范围，增强类型安全性和功能可用性。

约束类型	语法	说明
类约束	where T : class	T 必须是引用类型
结构约束	where T : struct	T 必须是值类型
构造函数约束	where T : new()	T 必须有无参构造函数
基类约束	where T : BaseClass	T 必须继承自 BaseClass
接口约束	where T : IInterface	T 必须实现 IInterface
组合约束	where T : A, I, new()	可组合多个约束

‌示例‌：

public class Factory<T> where T : IEntity, new()    // IEntity代表某个实体类
{
    public T Create()
    {
        var entity = new T();
        entity.Initialize();
        return entity;
    }
}

‌4. 泛型的常见应用场景‌

‌(1) 集合类（如 List、Dictionary<TKey, TValue>）‌
泛型集合取代了非泛型集合（如 ArrayList），避免了类型转换和装箱拆箱：

List<int> numbers = new List<int> { 1, 2, 3 };
Dictionary<string, int> ages = new Dictionary<string, int> { { "Alice", 30 } };

‌(2) 泛型委托（如 Action、Func）‌

// 定义泛型委托
public delegate void Logger<T>(T message);

// 使用示例
Logger<string> logString = message => Console.WriteLine(message);
Logger<int> logInt = number => Console.WriteLine($"Number: {number}");

‌(3) 泛型单例模式‌

public class Singleton<T> where T : new()
{
    private static readonly Lazy<T> _instance = new Lazy<T>(() => new T());
    public static T Instance => _instance.Value;
}

// 使用示例
public class AppConfig { /* 配置类 */ }
var config = Singleton<AppConfig>.Instance;

‌5. 泛型的特殊特性‌

‌(1) 默认值（default 关键字）‌

T value = default(T);  // 对于引用类型返回 null，值类型返回 0 等

‌(2) 协变（Covariance）和逆变（Contravariance）‌

协变（out 关键字）‌：允许子类型替换父类型（如 IEnumerable）。
‌逆变（in 关键字）‌：允许父类型替换子类型（如 Action）。

‌示例‌：

IEnumerable<string> strings = new List<string>();
IEnumerable<object> objects = strings;  // 协变允许隐式转换

Action<object> logObject = obj => Console.WriteLine(obj);
Action<string> logString = logObject;   // 逆变允许隐式转换

6. 泛型与反射‌

通过反射可以获取泛型类型的元数据：

Type listType = typeof(List<>);
Type intListType = listType.MakeGenericType(typeof(int));
var intList = Activator.CreateInstance(intListType);

‌7. 注意事项‌

避免过度泛型化‌：只在需要类型灵活性的场景使用泛型。
‌命名规范‌：类型参数名应具有描述性（如 TKey、TValue）。
‌性能优化‌：泛型在编译时生成具体类型代码，不会带来运行时性能损失。

‌8. 典型问题与解决‌

‌问题：无法直接比较泛型类型‌

public bool AreEqual<T>(T a, T b)
{
    // 错误：T 可能未实现比较接口
    return a == b;  
}

// 解决方案：添加 IEquatable<T> 约束
public bool AreEqual<T>(T a, T b) where T : IEquatable<T>
{
    return a.Equals(b);
}