C# 中的 泛型（Generics） 是一種強大的編程特性，允許開發者在不預先指定具體數據類型的情況下編寫代碼。通過泛型，C# 能夠讓我們編寫更靈活、可重用、類型安全且性能優良的代碼。泛型廣泛應用于類、方法、接口、委托、集合等多個方面。

本文將詳細介紹 C# 中泛型的基本概念、常見用法、類型約束以及一些高級應用，幫助你更深入地理解泛型的強大功能及其最佳實踐。

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一、泛型的基本概念

1.1 什么是泛型？

泛型使得你能夠編寫能夠操作多種數據類型的代碼，而不需要在代碼中硬編碼具體的數據類型。通過類型參數（例如 T），你可以在運行時決定具體的類型，從而提高代碼的重用性和靈活性。

在 C# 中，泛型可以應用于：

• 泛型類
• 泛型方法
• 泛型接口
• 泛型委托
• 泛型集合

1.2 泛型類

泛型類 是在定義類時使用類型參數，并且在類的實例化時指定具體的類型。這使得同一個類可以用來處理不同類型的數據。

示例：

public class Box<T>
{private T _value;public void SetValue(T value){_value = value;}public T GetValue(){return _value;}
}public class Program
{public static void Main(){Box<int> intBox = new Box<int>();intBox.SetValue(123);Console.WriteLine(intBox.GetValue());  // 輸出 123Box<string> stringBox = new Box<string>();stringBox.SetValue("Hello");Console.WriteLine(stringBox.GetValue());  // 輸出 Hello}
}

在這個例子中，Box<T> 是一個泛型類，T 是類型參數。通過不同的類型參數，Box 類可以同時處理不同的數據類型。

1.3 泛型方法

泛型方法 允許你在方法定義時使用類型參數。方法可以在調用時決定具體的類型。

示例：

public class Program
{public static void Print<T>(T value){Console.WriteLine(value);}public static void Main(){Print(123);      // 輸出 123Print("Hello");  // 輸出 HelloPrint(3.14);     // 輸出 3.14}
}

Print<T> 方法能夠處理不同類型的數據，并且在調用時根據傳入的參數類型來自動推斷 T 的類型。

1.4 泛型接口

泛型接口 允許接口聲明時不指定具體的類型，而是在實現該接口的類中指定具體類型。通過這種方式，接口可以與多種數據類型兼容。

示例：

public interface IStorage<T>
{void Add(T item);T Get(int index);
}public class StringStorage : IStorage<string>
{private List<string> items = new List<string>();public void Add(string item){items.Add(item);}public string Get(int index){return items[index];}
}public class Program
{public static void Main(){IStorage<string> storage = new StringStorage();storage.Add("Item 1");storage.Add("Item 2");Console.WriteLine(storage.Get(0));  // 輸出 Item 1}
}

在這個例子中，IStorage<T> 是一個泛型接口，StringStorage 類實現了該接口，并且指定 T 為 string 類型。

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二、泛型類型參數的約束

C# 允許你為泛型類型參數添加約束，以確保泛型在特定類型范圍內使用，從而提升類型安全性。

2.1 常見的泛型約束

• class：限制類型參數為引用類型。
• struct：限制類型參數為值類型。
• new()：限制類型參數必須有無參數構造函數。
• where T : BaseClass：限制類型參數為某個特定的類或接口。

2.2 約束示例

示例1：限制類型為值類型

public class ValueTypeContainer<T> where T : struct
{private T _value;public ValueTypeContainer(T value){_value = value;}public void Display(){Console.WriteLine(_value);}
}public class Program
{public static void Main(){ValueTypeContainer<int> intContainer = new ValueTypeContainer<int>(123);intContainer.Display();  // 輸出 123// 編譯錯誤：不能傳遞引用類型// ValueTypeContainer<string> stringContainer = new ValueTypeContainer<string>("Hello");}
}

示例2：使用接口約束

public interface IComparable
{int CompareTo(object obj);
}public class Repository<T> where T : IComparable
{public void Print(T item){Console.WriteLine(item.ToString());}
}public class Program
{public static void Main(){Repository<string> repo = new Repository<string>();repo.Print("Hello");  // 輸出 Hello}
}

2.3 多個約束的使用

你可以為一個泛型類型參數指定多個約束，確保泛型類型滿足多個條件。

示例：

public class Repository<T> where T : class, IComparable, new()
{public void Print(T item){Console.WriteLine(item.ToString());}
}

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三、泛型的高級用法

3.1 多個類型參數

泛型不僅支持一個類型參數，還可以支持多個類型參數，這使得你可以創建更加靈活的泛型類型。

示例：

public class Pair<T1, T2>
{private T1 first;private T2 second;public Pair(T1 first, T2 second){this.first = first;this.second = second;}public void Print(){Console.WriteLine($"First: {first}, Second: {second}");}
}public class Program
{public static void Main(){Pair<int, string> pair = new Pair<int, string>(1, "One");pair.Print();  // 輸出 First: 1, Second: One}
}

3.2 泛型與集合類

C# 的泛型集合類（如 List<T>、Dictionary<TKey, TValue>、Queue<T> 等）允許我們高效地操作數據，并且避免了類型轉換的潛在問題。

示例：

List<int> numbers = new List<int>();
numbers.Add(1);
numbers.Add(2);
numbers.Add(3);
Console.WriteLine(numbers[0]);  // 輸出 1

3.3 泛型委托

泛型委托使得委托能夠處理多種類型的方法。你可以定義一個泛型委托，使其接受不同類型的參數，并且在運行時動態選擇具體的方法。

示例：

public delegate void PrintDelegate<T>(T value);public class Program
{public static void Main(){PrintDelegate<int> printInt = (value) => Console.WriteLine(value);printInt(10);  // 輸出 10PrintDelegate<string> printString = (value) => Console.WriteLine(value);printString("Hello");  // 輸出 Hello}
}

3.4 泛型與 LINQ

C# 的 LINQ 查詢使用泛型來確保查詢結果的類型安全。你可以利用 LINQ 對集合進行高效的查詢、排序和過濾操作。

示例：

List<int> numbers = new List<int> { 1, 2, 3, 4, 5 };
var evenNumbers = numbers.Where(n => n % 2 == 0).ToList();foreach (var num in evenNumbers)
{Console.WriteLine(num);  // 輸出 2, 4
}

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四、泛型的優勢

1. 類型安全：泛型提供編譯時的類型檢查，避免了運行時類型錯誤。
2. 性能優化：泛型避免了類型轉換的開銷，因此在處理大量數據時具有較好的性能。
3. 代碼重用：通過泛型，我們可以編寫能夠處理多種類型數據的代碼，而無需重復編寫多個版本。
4. 靈活性：泛型使得我們能夠編寫通用的代碼，且不需要犧牲類型安全。

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五、總結

泛型是 C# 中的一項強大特性，能夠讓你編寫類型安全、靈活、可重用且高效的代碼。通過泛型，開發者可以避免在類型轉換時出現的錯誤，并且能夠編寫高度通用的類、方法、接口等。掌握泛型的使用，能夠幫助開發者在處理復雜數據結構和編寫高效代碼時更得心應手。

無論是常見的泛型類、方法、接口，還是泛型在 LINQ 和集合類中的應用，了解泛型的各種用法和最佳實踐，能夠使你寫出更簡潔、更可維護的代碼。