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());

Customer c = (Customer)stack.Pop();

var stack2 = new Stack();

stack2.Push(3);

int i = (int)stack2.Pop();

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.

var stack = new Stack(); // планируем сделать стек чисел

stack.Push(1);

stack.Push(2);

stack.Push("three"); // вставили не число, а строку

var sum = 0;

for (var i = 0; i < 3; i++)

{

// код компилируется, но при выполнении на третьей итерации

// будет сгенерирована исключительная ситуация

sum += (int)stack.Pop();

}

Необходимость устранения 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) на месте указания на тип.

public class Stack<T>

{

private T[] _items;

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

public T Pop() {... }

}

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 использовать 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 ещё одна особенность: нет необходимости в упаковке и распаковке типа значения, а это приводит к росту производительности.

Подчеркнём 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.

При объявлении универсального шаблона можно использовать несколько параметров-типов. Приведём фрагмент описания класса для хранения пар «ключ-значение» с возможностью доступа к значению по ключу[14]:

public class Dictionary<K, V>

{

public void Add(K key, V value) {... }

public V this[K key] {... }

}

Сконструированный тип для Dictionary<K, V> должен быть основан на двух аргументах-типах:

Dictionary<int, Customer> dict = new Dictionary<int, Customer>();

В языке C# существует операция default, которая возвращает значение по умолчанию для переменной указанного типа. Эта операция может использоваться в тех методах, где возвращаемое значение задано как параметр типа:

public class Cache<K, V>

{

// метод для поиска элемента по ключу

// если элемент найден, то метод возвращает его

// иначе метод возвращает значение по умолчанию для V

public V LookupItem(K key)

{

return ContainsKey(key)? GetValue(key): default(V);

}

}