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中泛型使用导致的膨胀问题

2019/12/29 17:38

还有一个问题:指针是不是被认为是一个类型?

C#泛型编程

泛型:通过参数化类型来实现在同一份代码上操作多种数据类型。利用“参数化类型”将类型抽象化,从而实现灵活的复用。

例子代码:

class Program

    {

        static void Main(string[] args)

        {

            int obj = 2;

            Test<int> test = new Test<int>(obj);

            Console.WriteLine("int:" + test.obj);

            string obj2 = "hello world";

            Test<string> test1 = new Test<string>(obj2);

            Console.WriteLine("String:" + test1.obj);

            Console.Read();

        }

    }

 

    class Test<T>

    {

        public T obj;

        public Test(T obj)

        {

            this.obj = obj;

        }

}

    输出结果是:

    int:2

String:hello world

 

程序分析:

1、  Test是一个泛型类。T是要实例化的范型类型。如果T被实例化为int型,那么成员变量obj就是int型的,如果T被实例化为string型,那么obj就是string类型的。

2、  根据不同的类型,上面的程序显示出不同的值。

澳门新普京 , 

C#泛型机制:

C#泛型能力有CLR在运行时支持:C#泛型代码在编译为IL代码和元数据时,采用特殊的占位符来表示范型类型,并用专有的IL指令支持泛型操作。而真正的泛型实例化工作以“on-demand”的方式,发生在JIT编译时。

 

看看刚才的代码中Main函数的元数据

.method private hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed

{

  .entrypoint

  // Code size       79 (0x4f)

  .maxstack  2

  .locals init ([0] int32 obj,

           [1] class CSharpStudy1.Test`1<int32> test,

           [2] string obj2,

           [3] class CSharpStudy1.Test`1<string> test1)

  IL_0000:  nop

  IL_0001:  ldc.i4.2

  IL_0002:  stloc.0

  IL_0003:  ldloc.0

  IL_0004:  newobj     instance void class CSharpStudy1.Test`新普京网站 ,1<int32>::.ctor(!0)

  IL_0009:  stloc.1

  IL_000a:  ldstr      "int:"

  IL_000f:  ldloc.1

  IL_0010:  ldfld      !0 class CSharpStudy1.Test`1<int32>::obj

  IL_0015:  box        [mscorlib]System.Int32

  IL_001a:  call       string [mscorlib]System.String::Concat(object,

                                                              object)

  IL_001f:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)

  IL_0024:  nop

  IL_0025:  ldstr      "hello world"

  IL_002a:  stloc.2

  IL_002b:  ldloc.2

  IL_002c:  newobj     instance void class CSharpStudy1.Test`1<string>::.ctor(!0)

  IL_0031:  stloc.3

  IL_0032:  ldstr      "String:"

  IL_0037:  ldloc.3

  IL_0038:  ldfld      !0 class CSharpStudy1.Test`1<string>::obj

  IL_003d:  call       string [mscorlib]System.String::Concat(string,

                                                              string)

  IL_0042:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)

  IL_0047:  nop

  IL_0048:  call       int32 [mscorlib]System.Console::Read()

  IL_004d:  pop

  IL_004e:  ret

} // end of method Program::Main

 

    再来看看Test类中构造函数的元数据

.method public hidebysig specialname rtspecialname

        instance void  .ctor(!T obj) cil managed

{

  // Code size       17 (0x11)

  .maxstack  8

  IL_0000:  ldarg.0

  IL_0001:  call       instance void [mscorlib]System.Object::.ctor()

  IL_0006:  nop

  IL_0007:  nop

  IL_0008:  ldarg.0

  IL_0009:  ldarg.1

  IL_000a:  stfld      !0 class ConsoleCSharpTest1.Test`1<!T>::obj

  IL_000f:  nop

  IL_0010:  ret

} // end of method Test`1::.ctor

 

1、第一轮编译时,编译器只为Test<T>类型产生“泛型版”的IL代码与元数据——并不进行泛型的实例化,T在中间只充当占位符。例如:Test类型元数据中显示的<!T>

2、JIT编译时,当JIT编译器第一次遇到Test<int>时,将用int替换“范型版”IL代码与元数据中的T——进行泛型类型的实例化。例如:Main函数中显示的<int>

3、CLR为所有类型参数为“引用类型”的泛型类型产生同一份代码;但是如果类型参数为“值类型”,对每一个不同的“值 类型”,CLR将为其产生一份独立的代码。因为实例化一个引用类型的泛型,它在内存中分配的大小是一样的,但是当实例化一个值类型的时候,在内存中分配的 大小是不一样的。

 

C#泛型特点:

1、如果实例化泛型类型的参数相同,那么JIT编辑器会重复使用该类型,因此C#的动态泛型能力避免了C++静态模板可能导致的代码膨胀的问题。

2、C#泛型类型携带有丰富的元数据,因此C#的泛型类型可以应用于强大的反射技术。

3、C#的泛型采用“基类、接口、构造器,值类型/引用类型”的约束方式来实现对类型参数的“显示约束”,提高了类型安全的同时,也丧失了C++模板基于“签名”的隐式约束所具有的高灵活性

 

C#泛型继承:

C#除了可以单独声明泛型类型(包括类与结构)外,也可以在基类中包含泛型类型的声明。但基类如果是泛型类,它的类型要么以实例化,要么来源于子类(同样是泛型类型)声明的类型参数,看如下类型

class C<U,V>

class D:C<string,int>

class E<U,V>:C<U,V>

class F<U,V>:C<string,int>

class G:C<U,V>  //非法

E类型为C类型提供了U、V,也就是上面说的来源于子类

F类型继承于C<string,int>,个人认为可以看成F继承一个非泛型的类

G类型为非法的,因为G类型不是泛型,C是泛型,G无法给C提供泛型的实例化

 

泛型类型的成员:

泛型类型的成员可以使用泛型类型声明中的类型参数。但类型参数如果没有任何约束,则只能在该类型上使用从System.Object继承的公有成员。如下图:

 

 

 

 

 

泛型接口:

泛型接口的类型参数要么已实例化,要么来源于实现类声明的类型参数

 

泛型委托:

泛型委托支持在委托返回值和参数上应用参数类型,这些参数类型同样可以附带合法的约束

delegate bool MyDelegate<T>(T value);

class MyClass

{

    static bool F(int i){...}

    static bool G(string s){...}

    static void Main()

    {

        MyDelegate<string> p2 = G;

        MyDelegate<int> p1 = new MyDelegate<int>(F);

    }

}

 

泛型方法:

1、C#泛型机制只支持“在方法声明上包含类型参数”——即泛型方法。

2、C#泛型机制不支持在除方法外的其他成员(包括属性、事件、索引器、构造器、析构器)的声明上包含类型参数,但这些成员本身可以包含在泛型类型中,并使用泛型类型的类型参数。

3、泛型方法既可以包含在泛型类型中,也可以包含在非泛型类型中。

 

泛型方法声明:如下

public static int FunctionName<T>(T value){...}

 

泛型方法的重载:

public void Function1<T>(T a);

public void Function1<U>(U a);

这样是不能构成泛型方法的重载。因为编译器无法确定泛型类型T和U是否不同,也就无法确定这两个方法是否不同

 

public void Function1<T>(int x);

public void Function1(int x);

这样可以构成重载

 

public void Function1<T>(T t) where T:A;

public void Function1<T>(T t) where T:B;

这样不能构成泛型方法的重载。因为编译器无法确定约束条件中的A和B是否不同,也就无法确定这两个方法是否不同

 

泛型方法重写:

在重写的过程中,抽象类中的抽象方法的约束是被默认继承的。如下:

abstract class Base

{

    public abstract T F<T,U>(T t,U u) where U:T;

    public abstract T G<T>(T t) where T:IComparable;

}

 

class MyClass:Base

{

    public override X F<X,Y>(X x,Y y){...}

    public override T G<T>(T t) where T:IComparable{}

}

对于MyClass中两个重写的方法来说

F方法是合法的,约束被默认继承

G方法是非法的,指定任何约束都是多余的

 

泛型约束:

1、C#泛型要求对“所有泛型类型或泛型方法的类型参数”的任何假定,都要基于“显式的约束”,以维护C#所要求的类型安全。

2、“显式约束”由where子句表达,可以指定“基类约束”,“接口约束”,“构造器约束”,“值类型/引用类型约束”共四种约束。

3、“显式约束”并非必须,如果没有指定“显式约束”,范型类型参数将只能访问System.Object类型中的公有方法。例如:在开始的例子 中,定义的那个obj成员变量。比如我们在开始的那个例子中加入一个Test1类,在它当中定义两个公共方法Func1、Func2,如下图:

 

 

 

下面就开始分析这些约束:

 

基类约束:

class A

    {

        public void Func1()

        { }

    }

 

    class B

    {

        public void Func2()

        { }

    }

 

    class C<S, T>

        where S : A

        where T : B

    {

        public C(S s,T t)

        {

            //S的变量可以调用Func1方法

            s.Func1();

            //T的变量可以调用Func2方法

            t.Func2();

        }

    }

接口约束:

interface IA<T>

    {

        T Func1();

    }

 

    interface IB

    {

        void Func2();

    }

 

    interface IC<T>

    {

        T Func3();

    }

 

    class MyClass<T, V>

        where T : IA<T>

        where V : IB, IC<V>

    {

        public MyClass(T t,V v)

        {

            //T的对象可以调用Func1

            t.Func1();

            //V的对象可以调用Func2和Func3

            v.Func2();

            v.Func3();

        }

    }

构造器约束:

class A

        {

            public A()

            { }

        }

 

        class B

        {

            public B(int i)

            { }

        }

 

        class C<T> where T : new()

        {

            T t;

            public C()

            {

                t = new T();

            }

        }

 

        class D

        {

            public void Func()

            {

                C<A> c = new C<A>();

                C<B> d = new C<B>();

            }

        }

    d对象在编译时报错:The type B must have a public parameterless constructor in order to use it as parameter 'T' in the generic type or method C<T>

    注意:C#现在只支持无参的构造器约束

    此时由于我们为B类型写入了一个有参构造器,使得系统不会再为B自动创建一个无参的构造器,但是如果我们将B类型中加一个无参构造器,那么对象d的实例化就不会报错了。B类型定义如下:

        class B

        {

            public B()

            { }

            public B(int i)

            { }

        }

值类型/引用类型:

public struct A { }

        public class B { }

 

        public class C<T> where T : struct

        {

 

        }

 

        C<A> c1 = new C<A>();

        C<B> c2 = new C<B>();

    c2对象在编译时报错:The type 'B' must be a non-nullable value type in order to use it as parameter 'T' in the generic type or methor 'C<T>'

   

总结:

1、C#的泛型能力由CLR在运行时支持,它既不同于C++在编译时所支持的静态模板,也不同于Java在编译器层面使用“擦拭法”支持的简单的泛型。

2、C#的泛型支持包括类、结构、接口、委托四种泛型类型,以及方法成员。

3、C#的泛型采用“基类,接口,构造器,值类型/引用类型”的约束方式来实现对类型参数的“显式约束”,它不支持C++模板那样的基于签名的隐式约束。

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//! code-4

LIST_DECLARE(double)

但这种做法是很不可取的,必须用void*指针之后,编译器不再对类型进行检查,很容易把类型搞混淆。

而指针,不管是什么指针,它们都是一样的。我们可以用void*代表所有的指针类型。

结果是这样的:

写个例子对比一下:(省略不必要的代码)

下面是list<string>的C语言实现方式:

下面是list<int>的C语言实现方式:

[hevake_lcj@Hevake tmp]$ ll test1 test2
-rwxrwxr-x. 1 18784 Mar 19 22:01 test1
-rwxrwxr-x. 1 35184 Mar 19 22:03 test2
//! code-2
struct list_string_item {
    string value;
    struct list_string_item *next;
};

struct list_string {
    struct list_string_item *head;
    size_t size;
};

void list_string_insert(struct list_int *p, string value);
int  list_string_sort(struct list_int *p);
bool list_string_empty(struct list_int *p);
...
//! code-9

    map<int, void*> m1;
    map<int, void*> m2;
    map<int, void*> m3;

    m1.insert(std::make_pair(1, new string("hello")));
    m2.insert(std::make_pair(1, new double(1.2)));
    m3.insert(std::make_pair(1, new int(44)));

    cout << *static_cast<string*>(m1[1]) << endl;
    cout << *static_cast<double*>(m2[1]) << endl;
    cout << *static_cast<int*>(m3[1]) << endl;

如上代码是将code-8的基础上,将所有的指定都定义成了void*,在使用的时候用static_cast进行强制转换成对应的指针类型。

如果没有,为了节省空间,我们只能将所有的指针统一定义成void*类型了,在使用时再强制转换。

于是我们将上面的代码改改,再测试一下:

两者之间就是类型的差别。所以很多时间,在C语言中我们就用宏来替代它的类型,如下:

test1.cpp,里面只有map<int, string>,但定义了m1, m2, m3。

//! code-7

    map<int, string*> m1;
    map<int, string*> m2;
    map<int, string*> m3;

    m1.insert(std::make_pair(1, new string("hello")));
    m2.insert(std::make_pair(1, new string("hi")));
    m3.insert(std::make_pair(1, new string("lichunjun")));

所以,泛型产生冗余代码是无法避免的,至少用C来做这样的泛型也是无法避免的。

test2.cpp,与test1.cpp相比,里面有三个类型:

博主从事C++软件开发多年,由于之前的开发环境都是资源充足的服务器,不用考虑磁盘空间的问题。最近打算在智能家居主机的嵌入式平台上使用C++进行开发。FLASH存储空间有限,这是必须要考虑的因素,一定要重视。

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