C#高級語法之泛型、泛型約束，類型安全、逆變和協變（思想原理）

2019 年 10 月 3 日
筆記

一、為什麼使用泛型？

泛型其實就是一個不確定的類型，可以用在類和方法上，泛型在聲明期間沒有明確的定義類型，編譯完成之後會生成一個佔位符，只有在調用者調用時，傳入指定的類型，才會用確切的類型將佔位符替換掉。

首先我們要明白，泛型是泛型，集合是集合，泛型集合就是帶泛型的集合。下面我們來模仿這List集合看一下下面這個例子：

我們的目的是要寫一個可以存放任何動物的集合，首先抽象出一個動物類：

//動物類  public class Animal  {      //隨便定義出一個屬性和方法      public String SkinColor { get; set; }//皮膚顏色      //會跑的方法      public virtual void CanRun()      {          Console.WriteLine("Animal Run Can");      }  }

然後創建Dog類和Pig類

//動物子類 Dog  public class Dog : Animal  {      //重寫父類方法      public override void CanRun()      {          Console.WriteLine("Dog Can Run");      }  }    //動物子類 Pig  public class Pig : Animal  {      //重寫父類方法      public override void CanRun()      {          Console.WriteLine("Pig Can Run");      }  }

因為我們的目的是存放所有的動物，然後我們來寫一個AnimalHouse用來存放所有動物：

//存放所有動物  public class AnimalHouse  {      //由於自己寫線性表需要考慮很多東西，而且我們是要講泛型的，所以內部就用List來實現      private List<Animal> animal = new List<Animal>();        //添加方法      public void AddAnimal(Animal a)      {          animal.Add(a);      }      //移除方法，並返回是否成功      public bool RemoveAnimal(Animal a)      {          return animal.Remove(a);      }    }

AnimalHouse類型可以存放所有的動物，存放起來很方便。但是每次取出的話，使用起來會很不方便，因為只能用一些動物的特徵，而無法使用子類的特徵，例如Dog子類有CanSwim()方法（會游泳的方法），而動物中是沒有這個方法的，所以就無法進行調用，必須將Animal類型轉換為Dog類型才可以使用，不僅會增加額外的開銷而且還有很大的不確定性，可能轉換失敗，因為AnimalHouse中是存放了很多種動物子類。

如果我們有方法可以做到，讓調用者來決定添加什麼類型(具體的類型，例如Dog、Pig)，然後我們創建什麼類型，是不是這些問題就不存在了？泛型就可以做到。

我們看一下泛型是如何定義的：

//用在類中  public class ClassName<CName>  {      //用在方法中      public void Mothed<MName>() {        }        //泛型類中具體使用CName      //返回值為CName並且接受一個類型為CName類型的對象      public CName GetC(CName c) {          //default關鍵字的作用就是返回類型的默認值          return default(CName);      }  }

其中CName和MName是可變的類型(名字也是可變的)，用法的話就和類型用法一樣，用的時候就把它當成具體的類型來用。

了解過泛型，接下來我們使用泛型把AnimalHouse類更改一下，將所有類型Animal更改為泛型，如下：

public class AnimalHouse<T>  {      private List<T> animal = new List<T>();        public void AddAnimal(T a)      {          animal.Add(a);      }      public bool RemoveAnimal(T a)      {          return animal.Remove(a);      }    }

AnimalHouse類型想要存儲什麼樣的動物，就可以完全交由調用者來決定：

//聲明存放所有Dog類型的集合  AnimalHouse<Dog> dog = new AnimalHouse<Dog>();  //聲明存放所有Pig類型的集合  AnimalHouse<Pig> pig = new AnimalHouse<Pig>();

調用方法的時候，原本寫的是T類型，當聲明的時候傳入具體的類型之後，類中所有的T都會變成具體的類型，例如Dog類型，Pig類型

這樣我們的問題就解決了，當調用者傳入什麼類型，我們就構造什麼類型的集合來存放動物。

但是還有一個問題，就是調用者也可以不傳入動物，調用者可以傳入一個桌子(Desk類)、電腦(Computer)，但是這些都不是我們想要的。比如我們需要調用動物的CanRun方法，讓動物跑一下再放入集合里（z），因為我們知道動物都是繼承自Animal類，所有動物都會有CanRun方法，但是如果傳入過來一個飛Desk類我們還能使用CanRun方法嗎？答案是未知的，所以為了確保安全，我們需要對傳入的類型進行約束。

二、泛型約束

泛型約束就是對泛型(傳入的類型)進行約束，約束就是指定該類型必須滿足某些特定的特徵，例如：可以被實例化、比如實現Animal類等等

我們來看一下官方文檔上都有那些泛型約束：

約束	說明
where T : struct	類型參數必須是值類型。可以指定除 Nullable<T> 以外的任何值類型。有關可以為 null 的類型的詳細資訊，請參閱可以為 null 的類型。
where T : class	類型參數必須是引用類型。此約束還應用於任何類、介面、委託或數組類型。
where T : unmanaged	類型參數必須是非託管類型。
where T : new()	類型參數必須具有公共無參數構造函數。與其他約束一起使用時，`new()` 約束必須最後指定。
`where T :` <基類名>	類型參數必須是指定的基類或派生自指定的基類。
`where T :` <介面名稱>	類型參數必須是指定的介面或實現指定的介面。可指定多個介面約束。約束介面也可以是泛型。
where T : U	為 T 提供的類型參數必須是為 U 提供的參數或派生自為 U 提供的參數。

對多個參數應用約束：

//微軟官方例子
class Base { }  class Test<T, U>      where U : struct      where T : Base, new()  { }

使用的話只需要在泛型後面添加 where 泛型 : 泛型約束1、泛型約束2….，如果有new()約束的話則必須放在最後，說明都有很詳細的介紹。

然後我們來為AnimalHouse添加泛型約束為：必須包含公共無參構造函數和基類必須是Animal

//Animal約束T必須是Animal的子類或者本身，new()約束放在最後  public class AnimalHouse<T> where T : Animal, new()  {      private List<T> animal = new List<T>();        public void AddAnimal(T a)      {          //調用CanRun方法          //如果不加Animal泛型約束是無法調用.CanRun方法的，因為類型是不確定的          a.CanRun();          //添加          animal.Add(a);      }      public bool RemoveAnimal(T a)      {          return animal.Remove(a);      }    }

然後調用的時候我們傳入Object試一下

提示Object類型不能傳入AnimalHouse<T>中，因為無法轉換為Animal類型。

我們在寫一個繼承Animal類的Tiger子類，然後私有化構造函數

//動物子類 Tiger  public class Tiger : Animal  {      //私有化構造函數      private Tiger()      {        }      public override void CanRun()      {          Console.WriteLine("Tiger Can Run");      }  }

然後創建AnimalHouse類型對象，傳入Tiger類試一下：

提示必須是公共無參的非抽象類型構造函數。現在我們的AnimalHouse類就很完善了，可以存入所有的動物，而且只能存入動物

三、逆變和協變

先來看一個問題

Dog dog = new Dog();  Animal animal = dog;

這樣寫編譯是不會報錯的，因為Dog繼承了Animal，默認會進行一個隱式轉換，但是下面這樣寫

AnimalHouse<Dog> dogHouse = new AnimalHouse<Dog>();  AnimalHouse<Animal> animalHouse = dogHouse;

這樣寫的話會報一個無法轉換類型的錯誤。

強轉的話，會轉換失敗，我們設個斷點在後一句，然後監視一下animalHouse的值，可以看到值為null

//強轉編譯會通過，強轉的話會轉換失敗，值為null  IAnimalHouse<Animal> animalHouse = dogHouse as IAnimalHouse<Animal>;

協變就是為了解決這一問題的，這樣做其實也是為了解決類型安全問題（百度百科）：例如類型安全程式碼不能從其他對象的私有欄位讀取值。它只從定義完善的允許方式訪問類型才能讀取。

因為協變只能用在介面或者委託類型中，所以我們將AnimalHouse抽象抽來一個空介面IAnimalHouse，然後實現該介面：

//動物房子介面（所有動物的房子必須繼承該介面，例如紅磚動物房子，別墅動物房）  public interface IAnimalHouse<T> where T : Animal,new()  {    }  //實現IAnimalHouse介面  public class AnimalHouse<T> : IAnimalHouse<T> where T : Animal,new()  {      private List<T> animal = new List<T>();        public void AddAnimal(T a)      {          a.CanRun();          animal.Add(a);      }      public bool RemoveAnimal(T a)      {          return animal.Remove(a);      }  }

協變是在T泛型前使用out關鍵字，其他不需要做修改

public interface IAnimalHouse<out T> where T : Animal,new()  {    }

接下來我們用介面來調用一下，現在一切ok了，編譯也可以通過

IAnimalHouse<Dog> dogHouse = new AnimalHouse<Dog>();  IAnimalHouse<Animal> animalHouse = dogHouse;

協變的作用就是可以將子類泛型隱式轉換為父類泛型，而逆變就是將父類泛型隱式轉換為子類泛型

將介面類型改為使用in關鍵字

public interface IAnimalHouse<in T> where T : Animal,new()  {    }

逆變就完成了：

IAnimalHouse<Animal> animalHouse = new AnimalHouse<Animal>();  IAnimalHouse<Dog> dogHouse = animalHouse;

逆變和協變還有兩點：協變時泛型無法作為參數、逆變時泛型無法作為返回值。

逆變：

協變：

語法都是一些非常粗糙的東西，重要的是思想、思想、思想。然後我們來看一下為什麼要有逆變和協變？

什麼叫做類型安全？C#中的類型安全個人理解大致就是：一個對象向父類轉換時，會隱式安全的轉換，而兩種不確定可以成功轉換的類型（父類轉子類），轉換時必須顯式轉換。解決了類型安全大致就是，這兩種類型一定可以轉換成功。（如果有錯誤，歡迎指正）。

協變的話我相信應該很好理解，將子類轉換為父類，兼容性好，解決了類型安全（因為子類轉父類是肯定可以轉換成功的）；而協變作為返回值是百分百的類型安全

“逆變為什麼又是解決了類型安全呢？父類轉子類也安全嗎？不是有可能存在失敗嗎？”

其實逆變的內部也是實現子類轉換為父類，所以說也是安全的。

“可是我明明看到的是IAnimalHouse<Dog> dogHouse = animalHouse;將父類對象賦值給了子類，你還想騙人？”

這樣寫確實是將父類轉換為子類，不過逆變是用在作為參數傳遞的。這是因為寫程式碼的“視角”原因，為什麼協變這麼好理解，因為子類轉換父類很明顯可一看出來“IAnimalHouse<Animal> animalHouse = dogHouse;”，然後我們換個“視角”，將逆變作為參數傳遞一下，看這個例子：

先將IAnimalHouse介面修改一下：

public interface IAnimalHouse<in T> where T : Animal,new()  {      //添加方法      void AddAnimal(T a);      //移除方法      bool RemoveAnimal(T a);  }

然後我們在主類（Main函數所在的類）中添加一個TestIn方法來說明為什麼逆變是安全的：

//需要一個IAnimalHouse<Dog>類型的參數  public void TestIn(IAnimalHouse<Dog> dog) {    }

接下來我們將“視角”切到TestIn中，作為第一視角，我們正在寫這個方法，至於其他人如何調用我們都是不得而知的

我們就隨便在當前方法中添加一個操作：為dog變數添加一個Dog對象，TestIn方法改為如下：

//需要一個IAnimalHouse<Dog>類型的參數  public static void TestIn(IAnimalHouse<Dog> dog) {      Dog d = new Dog();      dog.AddAnimal(d);  }

我們將“視角”調用者視角，如果我們想調用當前方法，只有兩種方法：

//第一種  AnimalHouse<Dog> dogHouse = new AnimalHouse<Dog>();  TestIn(dogHouse);  //第二種   AnimalHouse<Animal> animalHouse = new AnimalHouse<Animal>();  //因為使用了in關鍵字所以可以傳入父類對象  TestIn(animalHouse);

第一種的話我們就不看了，很正常也很合理，我們主要來看第二種，那第二種類型安全又在哪兒呢？

可能有人已經反應過來了，我們再來看一下TestIn方法，有一個需要傳遞過來的IAnimalHouse<Dog>類型的dog對象，如果調用者是使用第二種方法調用的，那這個所謂的IAnimalHouse<Dog>類型的dog對象是不是其實就是AnimalHouse<Animal>類型的對象？而dog.AddAnimal(參數類型);的參數類型是不是就是需要一個Animal類型的對象？那傳入一個Dog類型的d對象是不是最終也是轉換為Animal類型放入dog對象中？所以當逆變作為參數傳遞時，類型是安全的。

思考：那麼，現在你能明白上面那個錯誤，為什麼“協變時泛型無法作為參數、逆變時泛型無法作為返回值”了嗎？

public interface IAnimalHouse<in T> where T : Animal,new()  {      //如果這樣寫逆變成立的話      //我們實現該介面，實現In方法，return(返回)一個默認值default(T)或者new T()      //此時使用第二種方法調用TestIn，並在TestIn中調用In方法      //注意，在TestIn中In方法的顯示返回值肯定是Dog，但是實際上要返回的類型是Animal      //所以就存在Animal類型轉換為Dog類型，所以就有可能失敗      //所以逆變時泛型無法作為返回值      T In();        void AddAnimal(T a);      bool RemoveAnimal(T a);  }

逆變思考答案，建議自己認真思考過後再看

//在主類（Main類）中添加一個out協變測試方法  public static IAnimalHouse<Animal> TestOut() {      //返回一個子類      return new AnimalHouse<Dog>();  }    //回到介面  public interface IAnimalHouse<out T> where T : Animal,new()  {      //如果這樣寫協變成立的話      //我們在Main方法中調用TestOut()方法，使用house變數接收一下      //IAnimalHouse<Animal> house = TestOut();      //然後調用house的AddAnimal()方法      //注意，此時AddAnimal方法需要的是一個Animal，但是實際類型卻是Dog類型      //因為我們的TestOut方法返回的是一個Dog類型的對象      //所以當我們在AddAnimal()中傳入new Animal()時，會存在Animal父類到Dog子類的轉換      //類型是不安全的，所以協變時泛型無法作為參數      void AddAnimal(T a);      bool RemoveAnimal(T a);  }

協變思考答案，建議自己認真思考過後再看