泛型的約束不止一面

1.介紹

泛型中的約束，其實就是針對類型參數的約束，限制類型參數的選擇只能在某個特定範圍內。其中的體現包括：限制類型參數必須是一個結構、限制類型參數必須是某個具體類型、限制類型參數必須派生自某個基類等等。在預設情況下，定義的泛型沒有任何約束，這意味著在調用泛型時，可以使用任何數據類型作為類型參數。如果定義了約束，則在應用端調用泛型時，不傳入符合約束條件的類型參數，編譯器將提示錯誤。通過這種約束實現了編譯前類型檢查，確保了泛型在運行時對類型參數使用的安全性。

以上說的這種限制性的作用，只能體現約束錶面的用意，這種用意是比較淺顯易懂。但實際上泛型的約束還有另一層的用意：“定義約束可以告知編譯器，類型參數具備了哪些能力”。我們在為某個泛型類或泛型方法編碼時，面向的類型參數T，其實類似是一個模糊神秘的事物，因為你根部不會知道它有什麼能力（屬性、方法等成員），如果你想在編寫泛型時使用類型參數T的某些能力，那麼你就可以通過定義約束來實現。例如，你想要類型參數T調用“比較大小”的方法從而幫助你實現排序演算法，你就可以定義一個泛型的約束：“要求類型參數必須實現IComparer介面”。這樣一來，你的類型參數T，就能夠在你編寫泛型類的代碼中“.”出Compare（比較的方法）。

基於上面對類型參數定義約束的用意分析，我針對約束主要的作用總結出以下兩點：

1. 對外部使用形成了限制條件，從而確保泛型的類型安全；
2. 對內部使用提供了更多能力，從而豐富功能的實現；

以上通過文字描述的形式介紹了泛型中類型參數的約束，為了更加形象的體會其中的含義和作用，下麵我將通過代碼示例的形式介紹類型參數定義約束的使用方式。

2.示例

假設我們在一個開發游戲的背景下，游戲比較簡單，其中目前有兩個職業：劍士和狙擊手，並且後期隨著游戲的普及會增加更多的職業。由於是戰鬥類型的游戲，所有每個職業都會使用特定的武器進行攻擊，從而實現戰鬥的體驗。對於該游戲職業設計相關的類圖如下：

由於這隻是一個為了講解泛型約束的一個示例，所以並沒有採用複雜的設計。由於劍士和狙擊手兩個職業都有相同的攻擊行為，故而將攻擊定義為了一個介面，具體的攻擊內容將交由這兩個職業類去實現。根據以上的類圖的設計，相應的代碼如下：

 1     //攻擊介面
 2     interface IAttack
 3     {
 4         void MeleeAttacks();  //近戰攻擊
 5     }
 6 
 7     //劍士
 8     class Swordman: IAttack
 9     {
10         public Swordman() => Sword = "倚天劍";
11 
12         public string Sword { get; set; }
13         public void MeleeAttacks()
14         {
15             Console.WriteLine("使用{0}進行刺擊。", Sword);
16         }
17     }
18 
19     
20     //狙擊手
21     class Sniper : IAttack
22     {
23         public Sniper() => Gun = "98k狙擊步槍";
24         public string Gun { get; set; } //槍
25  
26         public void MeleeAttacks()
27         {
28             Console.WriteLine("使用{0}進行射擊。", Gun);
29         }
30     }

3.能力

假設我們的游戲示例是一款戰鬥類型的游戲，那麼其中所有的職業都需要進行戰鬥。對於這個共同的行為，正好可以借鑒泛型的使用思想：即不同類型存在相同處理邏輯，那麼可以使用泛型作為一個代碼模板，從而實現不同類型的通用化處理。我們計劃將戰鬥的行為定義成一個泛型類，由這個泛型類統一實現各個職業的戰鬥。然而在編寫戰鬥泛型類的時候，由於戰鬥必須要使用職業的攻擊方法，但是我們在內部調用類型參數T並不能獲取到相應的方法，編譯器視乎將類型參數T看成了一個object類型。

怎麼辦？究竟如何能夠在戰鬥泛型類中調用游戲角色的攻擊方法呢？這個時候就輪到本文的主題“泛型的約束”閃亮登場了，接下來我們將針對戰鬥泛型類定義一個約束，在泛型類中使用類型參數T調用出攻擊的方法：

 1     /// <summary>
 2     /// 各個職業的戰鬥
 3     /// </summary>
 4     class Combat<T> where T :IAttack
 5     {
 6         public Combat(T combatant)
 7         {
 8             _combatant = combatant;
 9         }
10         private T _combatant;//參戰者
11 
12         public void Action()
13         {
14             Console.WriteLine("戰鬥開始");
15             _combatant.MeleeAttacks();
16             Console.WriteLine("戰鬥結束");
17         }
18 
19     }

果不其然，成功的在戰鬥泛型類中調用了角色的攻擊方法，這是因為設置了約束，類型參數T就可以根據約束的類型獲取相應的能力。這一點也正好可以印證了本文開頭總結泛型約束的作用之一：“對內部使用提供了更多能力，從而豐富功能的實現”。示例的代碼已經基本編寫完成，接下來我們就可以在應用端，使用戰鬥泛型類針對不同的角色實施戰鬥行為了。

4.安全

假設你的小伙伴正在另一頭在編寫游戲中關於NPC部分的代碼，他得知你編寫了可以實現各種職業進行戰鬥的泛型類，於是乎他悄悄的使用一個NPC的對象來使用你的戰鬥泛型類。但是NPC在實際的需求中並沒有實現攻擊介面。NPC類的代碼結構如下：

我們在假定，泛型的約束不能夠對外部傳入的類型參數(NPC類)起到限製作用。那麼這個NPC的“戰鬥”情況可想而知，NPC是沒有主動攻擊的方法的，他盲目的使用戰鬥泛型類，只會無情的面臨“死亡”。還好，我們定義的類型參數約束對此進行了把關，我們約束的規則是：要求類型參數必須實現攻擊介面。而NPC並沒有實現攻擊介面，所以對於NPC使用戰鬥泛型類時編譯器會提示錯誤。

通過NPC濫用泛型類的這個示例，就可以從分的體現出本文開頭總結泛型約束的作用之一：“對外部使用形成了限制條件，從而確保泛型的類型安全”。

5.結語

理解泛型的約束，可能會覺得它是很語義化、片面化的東西。殊不知，其實泛型約束在實際中最有作用的是，為類型參數提供能力，讓我們在編碼的過程中更有針對性。所以學習不能只求錶面，必須通過反覆思考，才能讓獲取的知識更加立體。

對於泛型約束的使用方式，除了本文示例中要求實現一個特定介面的方式，另外還有很多使用方式。我們不可能將每一個使用細節瞭然於心，但是必須搞清楚事物的本質，以致於知道為什麼有它的存在、在什麼樣的情況下使用它。當不同的應用場景發生時，我們在結合當下應用場景的實際情況，通過查閱文檔來制定具體的方針。