c#泛型學習詳解 創(chuàng)建線性鏈表
術(shù)語表
generics：泛型
type-safe：類型安全
collection: 集合
compiler：編譯器
run time：程序運行時
object: 對象
.NET library：.Net類庫
value type: 值類型
box: 裝箱
unbox: 拆箱
implicity: 隱式
explicity: 顯式
linked list: 線性鏈表
node: 結(jié)點
indexer: 索引器
泛型是什么？
很多人覺得泛型很難理解。我相信這是因為他們通常在了解泛型是用來解決什么問題之前，就被灌輸了大量的理論和范例。結(jié)果就是你有了一個解決方案，但是卻沒有需要使用這個解決方案的問題。
這篇文章將嘗試著改變這種學習流程，我們將以一個簡單的問題作為開始：泛型是用來做什么的？答案是：沒有泛型，將會很難創(chuàng)建類型安全的集合。
C# 是一個類型安全的語言，類型安全允許編譯器(可信賴地)捕獲潛在的錯誤，而不是在程序運行時才發(fā)現(xiàn)(不可信賴地！)。因 此，在C#中，所有的變量都有一個定義了的類型；當你將一個對象賦值給那個變量的時候，編譯器檢查這個賦值是否正確，如果有問題，將會給出錯誤信息。
在 .Net 1.1 版本(2003)中，當你在使用集合時，這種類型安全就失效了。由.Net 類庫提供的所有關于集合的類全是用來存儲基類型(Object)的，而.Net中所有的一切都是由Object基類繼承下來的，因此所有類型都可以放到一 個集合中。于是，相當于根本就沒有了類型檢測。
更糟的是，每一次你從集合中取出一個Object，你都必須將它強制轉(zhuǎn)換成正確的類型，這一轉(zhuǎn)換將對性能造成影響，并且產(chǎn)生冗長的代碼(如果你忘了 進行轉(zhuǎn)換，將會拋出異常)。更進一步地講，如果你給集合中添加一個值類型(比如，一個整型變量)，這個整型變量就被隱式地裝箱了(再一次降低了性能)，而 當你從集合中取出它的時候，又會進行一次顯式地拆箱(又一次性能的降低和類型轉(zhuǎn)換)。
關于裝箱、拆箱的更多內(nèi)容，請訪問 陷阱4，警惕隱式的裝箱、拆箱。
創(chuàng)建一個簡單的線性鏈表
為了生動地感受一下這些問題，我們將創(chuàng)建一個盡可能簡單的線性鏈表。對于閱讀本文的那些從未創(chuàng)建過線性鏈表的人。你可以將線性鏈表想像成有一條鏈子 栓在一起的盒子(稱作一個結(jié)點)，每個盒子里包含一些數(shù)據(jù) 和 鏈接到這個鏈子上的下一個盒子的引用(當然，除了最后一個盒子，這個盒子對于下一個盒子的引用被設置成NULL)。
為了創(chuàng)建我們的簡單線性鏈表，我們需要下面三個類：
1、Node 類，包含數(shù)據(jù)以及下一個Node的引用。
2、LinkedList 類，包含鏈表中的第一個Node，以及關于鏈表的任何附加信息。
3、測試程序，用于測試 LinkedList 類。
為了查看鏈接表如何運作，我們添加Objects的兩種類型到鏈表中：整型 和 Employee類型。你可以將Employee類型想象成一個包含關于公司中某一個員工所有信息的類。出于演示的目的，Employee類非常的簡單。
public class Employee{
private string name;
public Employee (string name){
this.name = name;
}
public override string ToString(){
return this.name;
}
}
這個類僅包含一個表示員工名字的字符串類型，一個設置員工名字的構(gòu)造函數(shù)，一個返回Employee名字的ToString()方法。
鏈接表本身是由很多的Node構(gòu)成，這些Note，如上面所說，必須包含數(shù)據(jù)(整型 和 Employee)和鏈表中下一個Node的引用。
public class Node{
Object data;
Node next;
public Node(Object data){
this.data = data;
this.next = null;
}
public Object Data{
get { return this.data; }
set { data = value; }
}
public Node Next{
get { return this.next; }
set { this.next = value; }
}
}
注意構(gòu)造函數(shù)將私有的數(shù)據(jù)成員設置成傳遞進來的對象，并且將 next 字段設置成null。
這個類還包括一個方法，Append，這個方法接受一個Node類型的參數(shù)，我們將把傳遞進來的Node添加到列表中的最后位置。這過程是這樣的： 首先檢測當前Node的next字段，看它是不是null。如果是，那么當前Node就是最后一個Node，我們將當前Node的next屬性指向傳遞進 來的新結(jié)點，這樣，我們就把新Node到了鏈表的尾部。
如果當前Node的next字段不是null，說明當前node不是鏈表中的最后一個node。因為next字段的類型也是node，所以我們調(diào)用next字段的Append方法(注：遞歸調(diào)用)，再一次傳遞Node參數(shù)，這樣繼續(xù)下去，直到找到最后一個Node為止。
public void Append(Node newNode){
if ( this.next == null ){
this.next = newNode;
}else{
next.Append(newNode);
}
}
Node 類中的 ToString() 方法也被覆蓋了，用于輸出 data 中的值，并且調(diào)用下一個 Node 的 ToString()方法(譯注：再一次遞歸調(diào)用)。
public override string ToString(){
string output = data.ToString();
if ( next != null ){
output += ", " + next.ToString();
}
return output;
}
這樣，當你調(diào)用第一個Node的ToString()方法時，將打印出所有鏈表上Node的值。
LinkedList 類本身只包含對一個Node的引用，這個Node稱作 HeadNode，是鏈表中的第一個Node，初始化為null。
public class LinkedList{
Node headNode = null;
}
LinkedList 類不需要構(gòu)造函數(shù)(使用編譯器創(chuàng)建的默認構(gòu)造函數(shù))，但是我們需要創(chuàng)建一個公共方法，Add()，這個方法把 data存儲到線性鏈表中。這個方法首先檢查headNode是不是null，如果是，它將使用data創(chuàng)建結(jié)點，并將這個結(jié)點作為headNode，如 果不是null，它將創(chuàng)建一個新的包含data的結(jié)點，并調(diào)用headNode的Append方法，如下面的代碼所示：
public void Add(Object data){
if ( headNode == null ){
headNode = new Node(data);
}else{
headNode.Append(new Node(data));
}
}
為了提供一點集合的感覺，我們?yōu)榫€性鏈表創(chuàng)建一個索引器。
public object this[ int index ]{
get{
int ctr = 0;
Node node = headNode;
while ( node != null && ctr <= index ){
if ( ctr == index ){
return node.Data;
}else{
node = node.Next;
}
ctr++;
}
return null;
}
}
最后，ToString()方法再一次被覆蓋，用以調(diào)用headNode的ToString()方法。
public override string ToString(){
if ( this.headNode != null ){
return this.headNode.ToString();
}else{
return string.Empty;
}
}
測試線性鏈表
我們可以添加一些整型值到鏈表中進行測試：
public void Run(){
LinkedList ll = new LinkedList();
for ( int i = 0; i < 10; i ++ ){
ll.Add(i);
}
Console.WriteLine(ll);
Console.WriteLine(" Done. Adding employees...");
}
如果你對這段代碼進行測試，它會如預計的那樣工作：
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Done. Adding employees...
然而，因為這是一個Object類型的集合，所以你同樣可以將Employee類型添加到集合中。
ll.Add(new Employee("John"));
ll.Add(new Employee("Paul"));
ll.Add(new Employee("George"));
ll.Add(new Employee("Ringo"));
Console.WriteLine(ll);
Console.WriteLine(" Done.");
輸出的結(jié)果證實了，整型值和Employee類型都被存儲在了同一個集合中。
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Done. Adding employees...
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, John, Paul, George, Ringo
Done.
雖然看上去這樣很方便，但是負面影響是，你失去了所有類型安全的特性。因為線性鏈表需要的是一個Object類型，每一個添加到集合中的整型值都被隱式裝箱了，如同 IL 代碼所示：
IL_000c: box [mscorlib]System.Int32
IL_0011: callvirt instance void ObjectLinkedList.LinkedList::Add(object)
同樣，如果上面所說，當你從你的列表中取出項目的時候，這些整型必須被顯式地拆箱(強制轉(zhuǎn)換成整型)，Employee類型必須被強制轉(zhuǎn)換成 Employee類型。
Console.WriteLine("The fourth integer is " + Convert.ToInt32(ll[3]));
Employee d = (Employee) ll[11];
Console.WriteLine("The second Employee is " + d);
這些問題的解決方案是創(chuàng)建一個類型安全的集合。一個 Employee 線性鏈表將不能接受 Object 類型；它只接受 Employee類的實例(或者繼承自Employee類的實例)。這樣將會是類型安全的，并且不再需要類型轉(zhuǎn)換。一個 整型的 線性鏈表，這個鏈表將不再需要裝箱和拆箱的操作(因為它只能接受整型值)。
作為示例，你將創(chuàng)建一個 EmployeeNode，該結(jié)點知道它的data的類型是Employee。
public class EmployeeNode {
Employee employeedata;
EmployeeNode employeeNext;
}
Append 方法現(xiàn)在接受一個 EmployeeNode 類型的參數(shù)。你同樣需要創(chuàng)建一個新的 EmployeeLinkedList ，這個鏈表接受一個新的 EmployeeNode：
public class EmployeeLinkedList{
EmployeeNode headNode = null;
}
EmployeeLinkedList.Add()方法不再接受一個 Object，而是接受一個Employee：
public void Add(Employee data){
if ( headNode == null ){
headNode = new EmployeeNode(data);}
else{
headNode.Append(new EmployeeNode(data));
}
}
類似的，索引器必須被修改成接受 EmployeeNode 類型，等等。這樣確實解決了裝箱、拆箱的問題，并且加入了類型安全的特性。你現(xiàn)在可以添加Employee(但不是整型)到你新的線性鏈表中了，并且當你從中取出Employee的時候，不再需要類型轉(zhuǎn)換了。
EmployeeLinkedList employees = new EmployeeLinkedList();
employees.Add(new Employee("Stephen King"));
employees.Add(new Employee("James Joyce"));
employees.Add(new Employee("William Faulkner"));
/* employees.Add(5); // try to add an integer - won't compile */
Console.WriteLine(employees);
Employee e = employees[1];
Console.WriteLine("The second Employee is " + e);
這樣多好啊，當有一個整型試圖隱式地轉(zhuǎn)換到Employee類型時，代碼甚至連編譯器都不能通過！
但它不好的地方是：每次你需要創(chuàng)建一個類型安全的列表時，你都需要做很多的復制/粘貼 。一點也不夠好，一點也沒有代碼重用。同時，如果你是這個類的作者，你甚至不能提前欲知這個鏈接列表所應該接受的類型是什么，所以，你不得不將添加類型安 全這一機制的工作交給類的使用者---你的用戶。
使用泛型來達到代碼重用
解決方案，如同你所猜想的那樣，就是使用泛型。通過泛型，你重新獲得了鏈接列表的 代碼通用(對于所有類型只用實現(xiàn)一次)，而當你初始化鏈表的時候你告訴鏈表所能接受的類型。這個實現(xiàn)是非常簡單的，讓我們重新回到Node類：
public class Node{
Object data;
...
注意到 data 的類型是Object，(在EmployeeNode中，它是Employee)。我們將把它變成一個泛型(通常，由一個大寫的T代表)。我們同樣定義Node類，表示它可以被泛型化，以接受一個T類型。
public class Node <T>{
T data;
...
讀作：T類型的Node。T代表了當Node被初始化時，Node所接受的類型。T可以是Object，也可能是整型或者是Employee。這個在Node被初始化的時候才能確定。
注意：使用T作為標識只是一種約定俗成，你可以使用其他的字母組合來代替，比如這樣：
public class Node <UnknownType>{
UnknownType data;
...
通過使用T作為未知類型，next字段(下一個結(jié)點的引用)必須被聲明為T類型的Node(意思是說接受一個T類型的泛型化Node)。
Node<T> next;
構(gòu)造函數(shù)接受一個T類型的簡單參數(shù)：
public Node(T data)
{
this.data = data;
this.next = null;
}
Node 類的其余部分是很簡單的，所有你需要使用Object的地方，你現(xiàn)在都需要使用T。LinkedList 類現(xiàn)在接受一個 T類型的Node，而不是一個簡單的Node作為頭結(jié)點。
public class LinkedList<T>{
Node<T> headNode = null;
再來一遍，轉(zhuǎn)換是很直白的。任何地方你需要使用Object的，現(xiàn)在改做T，任何需要使用Node的地方，現(xiàn)在改做 Node<T>。下面的代碼初始化了兩個鏈接表。一個是整型的。
LinkedList<int> ll = new LinkedList<int>();
另一個是Employee類型的：
LinkedList<Employee> employees = new LinkedList<Employee>();
剩下的代碼與第一個版本沒有區(qū)別，除了沒有裝箱、拆箱，而且也不可能將錯誤的類型保存到集合中。
LinkedList<int> ll = new LinkedList<int>();
for ( int i = 0; i < 10; i ++ )
{
ll.Add(i);
}
Console.WriteLine(ll);
Console.WriteLine(" Done.");
LinkedList<Employee> employees = new LinkedList<Employee>();
employees.Add(new Employee("John"));
employees.Add(new Employee("Paul"));
employees.Add(new Employee("George"));
employees.Add(new Employee("Ringo"));
Console.WriteLine(employees);
Console.WriteLine(" Done.");
Console.WriteLine("The fourth integer is " + ll[3]);
Employee d = employees[1];
Console.WriteLine("The second Employee is " + d);
泛型允許你不用復制/粘貼冗長的代碼就實現(xiàn)類型安全的集合。而且，因為泛型是在運行時才被擴展成特殊類型。Just In Time編譯器可以在不同的實例之間共享代碼，最后，它顯著地減少了你需要編寫的代碼。
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