泛型类型——以基于Object的堆栈和泛型堆栈对比介绍

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泛型类型——以基于Object的堆栈和泛型堆栈对比介绍

2013年11月23日 ⁄ 综合 ⁄ 共 4836字 ⁄ 字号小中大 ⁄ 评论关闭

参考文献：

http://www.cnblogs.com/Dlonghow/archive/2008/07/10/1240228.html，http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/0x6a29h6(v=VS.90).aspx

1.泛型简介

泛型是 C# 2.0 的最强大的功能。通过泛型可以定义类型安全的数据结构，而无须使用实际的数据类型。这能够显著提高性能并得到更高质量的代码，因为您可以重用数据处理算法，而无须复制类型特定的代码。在概念上，泛型类似于 C++ 模板，但是在实现和功能方面存在明显差异。泛型通常用与集合以及作用于集合的方法一起使用。.NET Framework 2.0 版类库提供一个新的命名空间 System.Collections.Generic，其中包含几个新的基于泛型的集合类。建议面向 .NET Framework 2.0 及更高版本的所有应用程序都使用新的泛型集合类，而不要使用旧的非泛型集合类如 ArrayList。

2.示例代码

下面给出一段代码实例，其中定义了两个类型的堆栈，一个是基于Object数组的堆栈，另外一个则使用了泛型类型。我们将通过示例来分析泛型类型.

using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq; using System.Text; namespace Stack { class Program { static void Main(string[] args) { //test of Stack Stack stack = new Stack(); stack.Push(1); //This compiles, but is not type safe, and will throw an exception: //string number = (string)stack.Pop();//能编译但是不能执行。 Console.WriteLine(stack.Pop()); //test of TStack<T> TStack<int> int_stack = new TStack<int>();//泛型类型指定了int_stack就是一个整型栈 int_stack.Push(1); Console.WriteLine(int_stack.Pop()); TStack<string> str_stack = new TStack<string>(); str_stack.Push("str_stack"); Console.WriteLine(str_stack.Pop()); } } /// <summary> /// 基于Object的堆栈 /// </summary> public class Stack { private readonly int m_size; //该堆栈的最大索引 public int m_StackPointer = 0; //索引，指向栈顶的后一位 public object[] m_Items; //该堆栈，堆栈用数组表示。m_Items[0]存放数据。 /// <summary> /// 默认构造函数，设置堆栈最大索引为100 /// </summary> public Stack() : this(100) { } /// <summary> /// 构造函数，用于初始化堆栈的索引 /// </summary> /// <param name="size">堆栈最大索引</param> public Stack(int size) { m_size = size;//设置堆栈最大索引值 m_Items=new object[m_size];//创建m_size大小的堆栈 } /// <summary> /// 压栈 /// </summary> /// <param name="item">进栈数据</param> public void Push(object item) { if (m_StackPointer >= m_size)//索引值即使等于最大索引值也报错，因为达到最大索引了就不能再压栈了 throw new StackOverflowException(); m_Items[m_StackPointer] = item; m_StackPointer++; } /// <summary> ///出栈 /// </summary> /// <returns></returns> public object Pop() { m_StackPointer--; if(m_StackPointer>=0) return m_Items[m_StackPointer]; else m_StackPointer = 0; throw new InvalidOperationException("Cannot pop a empty stack!!"); } } /// <summary> /// 泛型类型 /// </summary> /// <typeparam name="T"></typeparam> public class TStack<T> { private readonly int m_size; //该堆栈的最大索引 public int m_StackPointer = 0; //索引，指向栈顶的后一位 T[] m_Items; //该堆栈，堆栈用数组表示。m_Items[0]存放数据。 /// <summary> /// 默认构造函数，设置堆栈最大索引为100 /// </summary> public TStack() : this(100) { } /// <summary> /// 构造函数，用于初始化堆栈的索引 /// </summary> /// <param name="size">堆栈最大索引</param> public TStack(int size) { m_size = size;//设置堆栈最大索引值 m_Items = new T[m_size];//创建m_size大小的堆栈 } /// <summary> /// 压栈 /// </summary> /// <param name="item">进栈数据</param> public void Push(T item) { if (m_StackPointer >= m_size)//索引值即使等于最大索引值也报错，因为达到最大索引了就不能再压栈了 throw new StackOverflowException(); m_Items[m_StackPointer] = item; m_StackPointer++; } /// <summary> ///出栈 /// </summary> /// <returns></returns> public object Pop() { m_StackPointer--; if (m_StackPointer >= 0) return m_Items[m_StackPointer]; else m_StackPointer = 0; throw new InvalidOperationException("Cannot pop a empty stack!!"); } } }

3.基于Object的堆栈分析

基于 Object 的堆栈的存在两个问题。
1).第一个问题是性能。
在使用值类型时，必须将它们装箱以便推送和存储它们，并且在将值类型弹出堆栈时将其取消装箱。装箱和取消装箱都会根据它们自己的权限造成重大的性能损失，但是它还会增加托管堆上的压力，导致更多的垃圾收集工作，而这对于性能而言不太好。
即使是在使用引用类型而不是值类型时，仍然存在性能损失，这是因为必须从 Object 向您要与之交互的实际类型进行强制类型转换，从而造成强制类型转换开销。

2).基于 Object 堆栈的第二个问题（通常更为严重）是 类型安全。
因为编译器允许在任何类型和 Object 之间进行强制类型转换，所以您将丢失编译时类型安全。例如，以下代码可以正确编译，但是在运行时将引发无效强制类型转换异常。

当然您可以通过提供类型特定的（因而是类型安全的）高性能堆栈来克服上述两个问题。但遗憾的是，以这种方式解决性能和类型安全问题，会引起第三个同样严重的问题 :
3).影响工作效率
编写类型特定的数据结构是一项乏味的、重复性的且易于出错的任务。在修复该数据结构中的缺陷时，您不能只在一个位置修复该缺陷，而必须在实质上是同一数据结构的类型特定的副本所出现的每个位置进行修复。此外，没有办法预知未知的或尚未定义的将来类型的使用情况，因此还必须保持基于 Object 的数据结构。

4.泛型实现

表面上，C# 泛型的语法看起来与 C++ 模板类似，但是编译器实现和支持它们的方式存在重要差异。正如您将在后文中看到的那样，这对于泛型的使用方式具有重大意义。

注: 在本文中，当提到 C++ 时，指的是传统 C++，而不是带有托管扩展的 Microsoft C++。

与 C++ 模板相比，C# 泛型可以提供增强的安全性，但是在功能方面也受到某种程度的限制。

在一些 C++ 编译器中，在您通过特定类型使用模板类之前，编译器甚至不会编译模板代码。当您确实指定了类型时，编译器会以内联方式插入代码，并且将每个出现一般类型参数的地方替换为指定的类型。此外，每当您使用特定类型时，编译器都会插入特定于该类型的代码，而不管您是否已经在应用程序中的其他某个位置为模板类指定了该类型。C++ 链接器负责解决该问题，并且并不总是有效。这可能会导致代码膨胀，从而增加加载时间和内存足迹。

在 .NET 2.0 中，泛型在 IL（中间语言）和 CLR 本身中具有本机支持。在编译一般 C# 服务器端代码时，编译器会将其编译为 IL，就像其他任何类型一样。但是，IL 只包含实际特定类型的参数或占位符。此外，一般服务器的元数据包含一般信息。

客户端编译器使用该一般元数据来支持类型安全。当客户端提供特定类型而不是一般类型参数时，客户端的编译器将用指定的类型实参来替换服务器元数据中的一般类型参数。这会向客户端的编译器提供类型特定的服务器定义，就好像从未涉及到泛型一样。这样，客户端编译器就可以确保方法参数的正确性，实施类型安全检查，甚至执行类型特定的 IntelliSense。

有趣的问题是，.NET 如何将服务器的一般 IL 编译为机器码。原来，所产生的实际机器码取决于指定的类型是值类型还是引用类型。如果客户端指定值类型，则 JIT 编译器将 IL 中的一般类型参数替换为特定的值类型，并且将其编译为本机代码。但是，JIT 编译器会跟踪它已经生成的类型特定的服务器代码。如果请求 JIT 编译器用它已经编译为机器码的值类型编译一般服务器，则它只是返回对该服务器代码的引用。因为 JIT 编译器在以后的所有场合中都将使用相同的值类型特定的服务器代码，所以不存在代码膨胀问题。

如果客户端指定引用类型，则 JIT 编译器将服务器 IL 中的一般参数替换为 Object，并将其编译为本机代码。在以后的任何针对引用类型而不是一般类型参数的请求中，都将使用该代码。请注意，采用这种方式，JIT 编译器只会重新使用实际代码。实例仍然按照它们离开托管堆的大小分配空间，并且没有强制类型转换。

5.泛型的好处

.NET 中的泛型使您可以重用代码以及在实现它时付出的努力。类型和内部数据可以在不导致代码膨胀的情况下更改，而不管您使用的是值类型还是引用类型。您可以一次性地开发、测试和部署代码，通过任何类型（包括将来的类型）来重用它，并且全部具有编译器支持和类型安全。因为一般代码不会强行对值类型进行装箱和取消装箱，或者对引用类型进行向下强制类型转换，所以性能得到显著提高。对于值类型，性能通常会提高 200%；对于引用类型，在访问该类型时，可以预期性能最多提高 100%（当然，整个应用程序的性能可能会提高，也可能不会提高）。本文随附的源代码包含一个微型基准应用程序，它在紧密循环中执行堆栈。该应用程序使您可以在基于 Object 的堆栈和一般堆栈上试验值类型和引用类型，以及更改循环迭代的次数以查看泛型对性能产生的影响。