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在现代软件开发中，编写灵活、可重用且类型安全的代码是每个开发者的追求。C#作为一种强类型语言，通过引入泛型(Generics)特性，完美地解决了代码重用与类型安全之间的矛盾。本文将全面探讨C#泛型的核心概念、实现原理、高级特性以及最佳实践，帮助你掌握这一强大的编程工具。
一、泛型概述
1.1 什么是泛型？
泛型是C# 2.0引入的一项重要特性，它允许我们定义类型参数化的类、结构、接口和方法。简单来说，泛型让我们可以编写能够处理多种数据类型的代码，而不必为每种类型编写重复的代码。
// 非泛型示例 - 只能处理int类型
public class IntList
{private int[] items;// ...
}// 泛型示例 - 可以处理任何类型
public class List<T>
{private T[] items;// ...
}1.2 泛型的优势
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类型安全：编译时类型检查，避免运行时类型转换错误
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代码重用：一套代码可以处理多种数据类型
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性能提升：避免值类型的装箱拆箱操作
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更好的可读性：代码意图更明确，减少类型转换噪音
二、泛型基础
2.1 泛型类
泛型类是最常见的泛型应用形式，它在类定义中包含一个或多个类型参数。
public class GenericRepository<T>
{private List<T> items = new List<T>();public void Add(T item){items.Add(item);}public T GetById(int id){// 实现逻辑return items[id];}
}// 使用示例
var userRepository = new GenericRepository<User>();
var productRepository = new GenericRepository<Product>();2.2 泛型方法
泛型方法允许在方法级别使用类型参数，即使所在的类不是泛型类。
public class Utility
{public static T Max<T>(T first, T second) where T : IComparable<T>{return first.CompareTo(second) > 0 ? first : second;}public static void LogList<T>(IEnumerable<T> items){foreach (var item in items){Console.WriteLine(item);}}
}2.3 泛型接口
泛型接口提供了可重用的契约，可以应用于多种类型。
public interface IRepository<T>
{void Add(T entity);void Delete(int id);T GetById(int id);IEnumerable<T> GetAll();
}public class UserRepository : IRepository<User>
{// 实现接口方法
}三、泛型约束
为了确保类型参数具有某些特性，我们可以使用约束来限制可用的类型。
3.1 常用约束类型
| 约束类型 | 语法 | 说明 |
|---|---|---|
| 基类约束 | where T : BaseClass | T必须是BaseClass或其派生类 |
| 接口约束 | where T : IInterface | T必须实现指定接口 |
| 值类型约束 | where T : struct | T必须是值类型 |
| 引用类型约束 | where T : class | T必须是引用类型 |
| 无参构造函数约束 | where T : new() | T必须有无参构造函数 |
3.2 多约束应用
一个类型参数可以应用多个约束：
public class DataProcessor<T> where T : class, IEntity, new()
{public void Process(T data){// 可以安全地创建新实例var newItem = new T();// 可以访问IEntity成员var id = data.Id;}
}四、.NET中的泛型集合
.NET框架提供了丰富的泛型集合类，它们位于System.Collections.Generic命名空间。
4.1 常用泛型集合
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List<T>：动态数组，最常用的集合类型
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Dictionary<TKey, TValue>：键值对集合，快速查找
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Queue<T>：先进先出队列
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Stack<T>：后进先出栈
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HashSet<T>：不包含重复元素的集合
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LinkedList<T>：双向链表
4.2 性能考量
泛型集合相比非泛型集合(如ArrayList)有显著性能优势，特别是对于值类型：
// 非泛型集合 - 导致装箱
ArrayList list = new ArrayList();
list.Add(1); // 装箱发生
int num = (int)list[0]; // 拆箱发生// 泛型集合 - 无装箱拆箱
List<int> genericList = new List<int>();
genericList.Add(1); // 无装箱
int num = genericList[0]; // 无拆箱五、高级泛型特性
5.1 协变与逆变
C# 4.0引入了泛型接口和委托的协变(out)和逆变(in)支持。
协变(协变性)：
IEnumerable<Derived> derived = new List<Derived>();
IEnumerable<Base> bases = derived; // 合法，因为IEnumerable<out T>逆变(逆变性)：
Action<Base> baseAction = b => Console.WriteLine(b);
Action<Derived> derivedAction = baseAction; // 合法，因为Action<in T>5.2 默认值
使用default关键字获取类型参数的默认值：
public T GetDefaultValue<T>()
{return default(T); // 引用类型返回null，值类型返回0/false等
}5.3 泛型与反射
运行时可以通过反射获取泛型类型信息：
Type genericType = typeof(List<>);
Type concreteType = genericType.MakeGenericType(typeof(int));
object list = Activator.CreateInstance(concreteType);六、泛型最佳实践
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优先使用泛型集合：总是选择List<T>而非ArrayList
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合理使用约束：提供足够的约束以保证类型安全，但不要过度约束
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考虑泛型方法：当只有方法需要泛型时，不要使整个类泛型化
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命名约定：使用描述性的类型参数名(如TKey, TValue)
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文档注释：为泛型类型和方法提供充分的XML注释
七、实际应用案例
7.1 泛型缓存系统
public class Cache<T>
{private readonly Dictionary<string, T> _cache = new Dictionary<string, T>();private readonly Func<string, T> _loader;public Cache(Func<string, T> loader){_loader = loader;}public T GetItem(string key){if (!_cache.TryGetValue(key, out T value)){value = _loader(key);_cache[key] = value;}return value;}
}7.2 泛型工厂模式
public interface IFactory<T>
{T Create();
}public class Factory<T> : IFactory<T> where T : new()
{public T Create(){return new T();}
}结语
C#泛型是一个强大而灵活的特性，它从根本上改变了我们编写可重用代码的方式。通过泛型，我们可以在保持类型安全的同时，减少代码重复，提高性能。掌握泛型不仅能够让你写出更优雅的代码，还能帮助你更好地理解.NET框架的内部实现。
随着C#语言的不断发展，泛型也在不断进化，从最初的简单泛型类和方法，到现在的协变逆变支持，以及未来可能出现的更多特性。作为C#开发者，深入理解泛型是提升编程能力的重要一步。