5.2 泛型与泛型集合

概述

泛型（Generics）是C# 2.0引入的核心特性，它允许开发者编写可重用的、类型安全的代码，而无需为每种数据类型重复编写相同的逻辑。泛型集合则是基于泛型实现的强类型集合类（如List<T>、Dictionary<TKey, TValue>等），相比非泛型集合（如ArrayList），它们在性能和类型安全性上有显著优势。

泛型基础

1. 泛型类型定义

通过<T>语法声明泛型类型参数，T代表占位符类型（可替换为任意具体类型）：

public class GenericBox<T>
{
    public T Content { get; set; }
}

// 使用示例
var intBox = new GenericBox<int> { Content = 42 };
var stringBox = new GenericBox<string> { Content = "Hello" };

2. 泛型方法

方法也可以定义为泛型，独立于其所属类：

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

// 调用示例
int result = Max(10, 20); // 自动推断类型为int

3. 类型约束

通过where关键字限制泛型参数的类型范围：

  • where T : struct：必须是值类型
  • where T : class：必须是引用类型
  • where T : new()：必须有无参构造函数
  • where T : BaseClass：必须继承自指定基类
  • where T : Interface：必须实现指定接口

泛型集合

1. 常用泛型集合类

集合类描述示例
List<T>动态数组var list = new List<int>();
Dictionary<TKey,TValue>键值对集合var dict = new Dictionary<string, int>();
HashSet<T>不重复元素的集合var set = new HashSet<string>();
Queue<T>先进先出队列var queue = new Queue<double>();
Stack<T>后进先出栈var stack = new Stack<bool>();

2. 与非泛型集合对比

// 非泛型ArrayList（不推荐）
ArrayList oldList = new ArrayList();
oldList.Add(1);      // 装箱（性能损耗）
oldList.Add("text"); // 允许任意类型（类型不安全）
int num = (int)oldList[0]; // 需要显式拆箱

// 泛型List<T>（推荐）
List<int> newList = new List<int>();
newList.Add(1);      // 无装箱
// newList.Add("text"); // 编译时报错
int num = newList[0]; // 直接访问

高级泛型特性

1. 协变与逆变（C# 4.0+）

  • 协变（out T）：允许使用派生程度更大的类型（如IEnumerable<Cat>赋值给IEnumerable<Animal>）
  • 逆变（in T）：允许使用派生程度更小的类型（如Action<Animal>赋值给Action<Cat>）
// 协变示例
IEnumerable<string> strings = new List<string>();
IEnumerable<object> objects = strings; // 合法，因为IEnumerable<out T>

// 逆变示例
Action<object> actObject = obj => Console.WriteLine(obj);
Action<string> actString = actObject; // 合法，因为Action<in T>

2. 默认值表达式

使用default关键字获取泛型类型的默认值：

T GetDefault<T>() => default(T);

Console.WriteLine(GetDefault<int>());    // 输出: 0
Console.WriteLine(GetDefault<string>()); // 输出: null

最佳实践

  1. 优先使用泛型集合：避免非泛型集合带来的装箱/拆箱开销和类型安全问题
  2. 合理使用约束：通过约束提高代码可读性并减少运行时错误
  3. 避免过度泛化：只在需要处理多种数据类型时使用泛型，否则会增加代码复杂度

示例项目：泛型缓存器

public class GenericCache<TKey, TValue>
{
    private readonly Dictionary<TKey, TValue> _cache = new Dictionary<TKey, TValue>();
    
    public void Add(TKey key, TValue value)
    {
        if (!_cache.ContainsKey(key))
        {
            _cache.Add(key, value);
        }
    }
    
    public TValue Get(TKey key) => _cache.TryGetValue(key, out var value) ? value : default;
}

// 使用示例
var cache = new GenericCache<int, string>();
cache.Add(1, "Apple");
string result = cache.Get(1); // 返回"Apple"
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