泛型技巧系列：类型字典和Type Traits

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本文所介绍的技巧，是我在研究泛型开发不久就发现并成功运用的技巧。这个技巧是突破.NET泛型限制，达到“看上去很美”境界的法宝。当然本方法也存在重大缺陷，后面我会逐一介绍。本文同时使用VB和C#语法，以下是泛型方面VB和C#的语法小小对照：

VB	C#
Identifier(Of T)	Identifier<T>
Identifier(Of T As C)	Identifier<T> where T : C

上次我们介绍了约束模型的缺陷和使用外部辅助类代替约束的手法。现在我们继续研究该手法。如上次所说，基本数值类型Integer, Long和Double等并没有实现什么公共的接口以实现普通加减乘除等运算；在泛型类和方法中，类型参数的变量之间也不允许使用+、-等运算符，所以我们别无选择，只能使用外部辅助类。以下就是我编写的辅助类Calculator。他是这样工作的：

Function Add(Of T)(a As T, b As T)As T
    Return Calculator(Of T).Default.Add(a, b)
End Function

'在另一个方法中
Dim c As Integer = Add(1, 2)
Dim d As Double = Add(1.5, 888.0)

我们看到，Calculator(Of T).Default能够在T确定为Integer或Double的时候分别给出正确的整数相加及浮点数相加运算。.NET泛型本身是缺乏这种编译时类型选择功能的，也就是说，无法根据类型参数T的不同自动选择不同的代码执行。那么是不是只能用运行时If语句加类型判断了呢？如果是那样，运行时效率必然难以保证，同时也失去了使用泛型的意义。所以我们得求助一个工具——类型字典。

“类型字典”这个词是我根据其特性杜撰的，它其实利用到.NET泛型很重要的一个特性：泛型类的静态字段。如果有一个泛型类型A(Of T)，那么它的每一个封闭构造类型（Closed Constructed Type）独享一组静态字段的取值。也就是说，假设X是A(Of T)的静态字段（VB中的Shared或C#中的static），那么A(Of Integer).X与A(Of String).X是互相独立的两个字段，改变一个的值不会影响到另一个。这样就给我们提供了一个极为便利的条件，我们可以利用泛型类型的静态字段，为类型参数的每一组封闭取值（封闭的意思是所有取值为非泛型类型或泛型封闭构造类型）保存一个字段的值。简单地说，这就相当于以类型作为关键字，建立了一个字典，其值则是一个对象。以下为C#语法的一个小小的例子：

class TypeDict<T>
{
    public static int Value;
}

//在代码中，我们可以为每个封闭类型保存一个int
//这相当于一个 类型到int 的字典
TypeDict<int>.Value = 1;
TypeDict<string>.Value = 2;
TypeDict<List<int>>.Value = 3;
TypeDict<List<double>>.Value = 4;

从类型查询到其相应的值，只有访问一个静态字段的代价，可谓极低。下面我们就利用这个优势，实现根据类型参数的不同，自动给出适合该类型的算术运算功能。我们统称这种类型参数取不同取值，类的功能就自动变化的功能为type traits，意为“类型特征”。.NET泛型不支持特化，因此不能做编译期选择的type trait，只能将这个过程推迟到运行期。为了减少运行期的消耗，我们采用首次运行进行类型判断，然后用类型字典保存判断结果的手法，我称之为首次缓存的拟type traits。下面用四则运算为例介绍做法：为了简化，我们现在只考虑四则运算功能中的加法。以下是在同类型上实现加法的接口：

Public Interface ICalculator(Of T)
    Function Add(a As T, b As T)As T
    
End Interface

我们要给ICalculator接口提供一个具有type trait功能的默认实现，首先声明一个类型：

Public MustInherit Class Calculator(Of T)
    Implements ICalculator(Of T)

    Public MustOverride Function Add(a As T, b As T) As T _
        Implements ICalculator(Of T).Add
    
End Class

注意这是一个抽象类，我们还没有写完他，但当前要做的事情是，为Integer，Double和T（代表未知类型）编写三个特化子类，分别封装Integer, Double和未知类型的加法。

Class IntegerCalc
    Inherits Calculator(Of Integer)

    Public Overrides Function Add(ByVal a As Integer, ByVal b As Integer) As Integer
        Return a + b
    End Function
End Class

Class DoubleCalc
    Inherits Calculator(Of Double)

    Public Overrides Function Add(ByVal a As Double, ByVal b As Double) As Double
        Return a + b
    End Function
End Class

Class ObjectCalc(Of T)
    Inherits Calculator(Of T)

    Public Overrides Function Add(ByVal a As T, ByVal b As T) As T
        '后期绑定的加法运算
        'VB的后期绑定支持运算符重载
        Return DirectCast(CObj(a) + CObj(b), T)
    End Function
End Class

给特殊类型的子类编写加法出奇的容易，因为类型变成了已知类型，因此运算符也就能够允许使用。注意我我们给ObjectCalc编写的加法过程使用了后期绑定加法，因此可以支持任何重载+号的类型，但是他的速度要比IntegerCalc和DoubleCalc中的做法慢很多倍。因此在实际代码中，我为.NET中具有算术加法概念的许多类型，如整型，浮点型，Decimal和Nullable类型都做了特殊子类。而ObjectCalc则为那些没有考虑到的类型提供低性能，但仍起作用的最低保证。 下面我们用If语句模拟编译期的类型选择机制，并保存在Calculator(Of T)的静态字段里，做成类型字典。修改Calculator如下

Public MustInherit Class Calculator(Of T)
    Implements ICalculator(Of T)

    Public MustOverride Function Add(ByVal a As T, ByVal b As T) As T _
        Implements ICalculator(Of T).Add

    '保存类型T的字典值
    Private Shared defaultCalc As Calculator(Of T)

    Public Shared ReadOnly Property [Default]() As Calculator(Of T)
        Get
            If defaultCalc Is Nothing Then CreateCalculator()
            Return defaultCalc
        End Get
    End Property

    Private Shared Sub CreateCalculator()
        Dim calcObj As Object
        '根据类型进行特殊子类的指派
        If GetType(T).Equals(GetType(Integer)) Then
            calcObj = New IntegerCalc
        ElseIf GetType(T).Equals(GetType(Double)) Then
            calcObj = New DoubleCalc
        Else
            '未知类型
            calcObj = New ObjectCalc(Of T)
        End If
        '强行让编译器认为我们选择类型就是T
        defaultCalc = DirectCast(calcObj, Calculator(Of T))
    End Sub
End Class

下面我们来看看这是如何工作的，假设我们要进行Integer的计算，那么首先写下Calculator(Of Integer).Default，这是第一次运行，所以它调用CreateCalculator方法。这个方法利用GetType运算符（C#的typeof）判断T是否是我们写过的特殊子类实现的类型，并且给静态字段defaultCalc分配一个特殊子类。这时候Default的值其实就是IntegerCalc的实例。当你第二次运行Calculator(Of Integer).Default的时候，缓存在Calculator(Of Integer)类型字典中的IntegerCalc实例会被直接调用，不再会进行第一次的类型判断。也就是说从第二次起，我们Integer运算的加法就可以好像编译期选择的那样，全速执行了。

类型字典+首次缓存的拟type traits可以漂亮地做出自动根据类型进行选择的功能，但是他也不是没有缺陷的。首先是这种类型选择不能轻易的扩展。假如将Calculator的代码做到类库里，那么从外部想给他加入一个特殊类型子类是无法轻易做到的，因为基于If的判断语句不易扩展，改进的做法可能通过一个（普通）字典作登记。或者结合面向对象，不采用这种方法扩充，而由用户自行实现ICalculator，然后取代默认Calculator（这正是.NET Framework和VBF采用的做法）。第二个缺陷是保存在静态字段中的对象不会被清理，这样就会越用越多，占据内存。好在这种用于计算或比较类的对象都很小。

下一次，我们讨论利用反射操纵泛型类型，以达成更巧妙的设计。