14. Универсальные шаблоны. Универсальные классы и структуры

Универсальные шаблоны (generics) позволяют при разработке пользовательского типа или метода указать в качестве параметра тип, который конкретизируется при использовании. Универсальные шаблоны применимы к классам, структурам, интерфейсам, делегатам и методам.

Универсальные классы и структуры

Поясним необходимость универсальных шаблонов на следующем примере. Пусть разрабатывается класс для представления структуры данных «стек». Чтобы не создавать отдельные версии стека для хранения данных определённых типов, программист выбирает базовый тип object как тип элемента.

public class Stack

{

private object[] _items;

public void Push(object item) { . . . }

public object Pop() { . . . }

}

Класс Stack можно использовать для разных типов данных:

var stack = new Stack();

stack.Push(new Customer());

Однако универсальность класса Stack имеет и отрицательные моменты. При извлечении данных из стека необходимо выполнять приведение типов. Для типов значений (например, int) при помещении данных в стек и при извлечении выполняются операции упаковки и распаковки, что отрицательно сказывается на производительности. И, наконец, неверный тип помещаемого в стек элемента может быть выявлен только на этапе выполнения, но не компиляции.

Необходимость устранение описанных недостатков явилась основной причиной появления универсальных шаблонов, представленных в C# 2.0.

Опишем класс Stack как универсальный тип. Для этого используется следующий синтаксис: после имени класса в угловых скобках указывается параметр типа. Этот параметр может затем использоваться при описании элементов класса (в нашем примере ‑ методов и массива).

Использовать универсальный тип «как есть» в клиентском коде нельзя, так как он является не типом, а, скорее, «чертежом» типа. Для работы со Stack<T> необходимо объявить и создать сконструированный тип (constructed type), указав в угловых скобках аргумент типа. Аргумент-тип может быть любым типом. Можно создать любое количество экземпляров сконструированных типов, и каждый из них может использовать разные аргументы типа.

Stack<int> stack = new Stack<int>();

stack.Push(3);

int x = stack.Pop();

Обратите внимание: при работе с типом Stack<int> отпала необходимость в выполнении приведения типов при извлечении элементов из стека. Кроме этого, теперь компилятор отслеживает, чтобы в стек помещались только данные типа int. И еще одна особенность. Нет необходимости в упаковке и распаковке типа значения, а это приводит к росту производительности.

Подчеркнем некоторые особенности сконструированных типов. Во-первых, сконструированный тип не связан отношением наследования с универсальным типом. Во-вторых, даже если классы A и B связаны наследованием, сконструированные типы на их основе этой связи лишены. В-третьих, статические поля, описанные в универсальном типе, уникальны для каждого сконструированного типа.

15. Универсальные шаблоны. Ограничения на параметры универсальных типов

Как правило, универсальные типы не просто хранят данные, но и вызывают методы у объекта, чей тип указан как параметр. Например, в классе Dictionary<K, V> метод Add() может использовать метод CompareTo() для сравнения ключей:

public class Dictionary<K, V>

{ public void Add(K key, V value)

{ . . .

if(key.CompareTo(x) < 0) { . . . } // ошибка компиляции!

. . . }}

Ошибка компиляции в этом примере возникает по следующей причине. Так как тип параметра K может быть любым, то у объекта key можно вызывать только методы базового типа object. Проблему можно решить, используя приведение типов:

public class Dictionary<K, V>

{ public void Add(K key, V value)

{ . . .

if(((IComparable)key).CompareTo(x) < 0) { . . . }

. . . }}

Недостаток такого подхода – многочисленность операций приведения. К тому же, если у сконструированного типа параметр K не поддерживает интерфейс IComparable, то при работе программы будет сгенерировано исключение InvalidCastException.

C# допускает указание ограничения (constraint) для каждого параметра универсального типа. Только тип, удовлетворяющий ограничениям, может быть применён для записи сконструированного типа.

Ограничения объявляются с использованием ключевого слова where, после которого указывается параметр, двоеточие и список ограничения. Элементом списка ограничения на тип могут являться:

• Ключевое слово class (требование, чтобы тип был ссылочным) или ключевое слово struct (требование, чтобы тип был типом значения).

• Имя класса (требование, чтобы тип приводился к этому классу).

• Интерфейс или список интерфейсов (требование, чтобы тип реализовывал эти интерфейсы).

• Конструкция new() (требование, чтобы у типа был конструктор без параметров).