C# 2.0 泛型入門完全指南：從類型參數化到約束機制的系統性掌握

泛型核心價值

C# 2.0 泛型實現了類型參數化，在編譯期保證類型安全，運行期避免裝箱拆箱，JIT 按需生成專用代碼，兼顧性能與復用性。本文系統講解泛型類、接口、委託、方法、繼承規則及四大約束機制。

一、泛型類定義與實例化

1.1 基礎語法

public class Test  // 兩個類型參數
{
    private T _name;
    private S _age;

    public Test(T name, S age)
    {
        _name = name;
        _age = age;
    }

    public void Print()
    {
        Console.WriteLine($"Name: {_name}, Age: {_age}");
    }
}

// 實例化時指定具體類型
Test t = new Test("張三", 25);
t.Print(); // Name: 張三, Age: 25

1.2 類型參數作用域

• 類成員字段、屬性、方法參數、返回值
• 嵌套類型定義
• 基類/接口類型參數傳遞

二、泛型繼承規則

2.1 兩種合法模式

// 模式 1：父類類型參數已具體化 → 子類可為非泛型
public class ChildConcrete : Test { }

// 模式 2：父類類型參數來自子類 → 子類必須為泛型且參數匹配
public class ChildGeneric : Test { }

// 也可部分固定
public class ChildPartial : Test { }

❌ 非法：public class BadChild : Test — 父類類型參數無來源

三、泛型接口與實現

// 定義
public interface IList { T[] GetElements(); }
public interface IDictionary { void Add(K key, V value); }

// 實現類需滿足同樣繼承規則
public class MyList : IList, IDictionary
{
    public T[] GetElements() => new T[0];
    public void Add(int key, T value) { /* ... */ }
}

四、泛型委託

// 定義：類型參數可用於參數、返回值
public delegate string Transformer(T input);

// 使用
Transformer toHex = n => n.ToString("X");
Transformer toUpper = s => s.ToUpper();

Console.WriteLine(toHex(255));   // FF
Console.WriteLine(toUpper("abc")); // ABC

五、泛型方法

5.1 定義與調用

public class Util
{
    // 方法級類型參數
    public T GetDefault() => default(T);
    
    public void Swap(ref T a, ref T b)
    {
        T temp = a; a = b; b = temp;
    }
}

// 調用時指定類型參數
Util u = new Util();
int val = u.GetDefault(); // 0
string str = u.GetDefault(); // null

int x = 1, y = 2;
u.Swap(ref x, ref y); // 類型推斷為 int

5.2 重載與覆蓋

public class Base
{
    public virtual T Process(T input, K key) where T : K => input;
}

public class Derived : Base
{
    // 覆蓋時約束自動繼承，不可修改
    public override T Process(T input, K key) => input;
}

六、泛型約束機制

where 子句提供四類顯式約束：

6.1 基類約束

class Animal { public void Breath() => Console.WriteLine("Breathing"); }
class Dog : Animal { }

class Zoo where T : Animal  // T 必須繼承 Animal
{
    public void Check(T animal) => animal.Breath(); // 可調用基類方法
}

6.2 接口約束

interface IPrintable { void Print(); }
interface IKeyProvider { string GetKey(); }

class Repository 
    where K : IComparable      // K 可比較
    where V : IPrintable, IKeyProvider // V 實現多接口
{
    public void Save(K key, V value) 
    {
        key.CompareTo(key);   // 調用接口方法
        value.Print();
        value.GetKey();
    }
}

6.3 構造函數約束

class Factory where T : new()  // T 必須有公共無參構造函數
{
    public T Create() => new T(); // 可實例化
}

class A { public A() { } }
class B { public B(int x) { } } // 無無參構造函數

Factory fa = new Factory(); // OK
fa.Create();

// Factory fb = new Factory(); // 編譯錯誤

struct Point { public int X, Y; }
class Entity { }

class Processor where T : struct { } // T 必須為值類型
class Manager where T : class { }    // T 必須為引用類型

Processor p = new Processor(); // OK
// Processor e = new Processor(); // 錯誤
Manager m = new Manager(); // OK
// Manager p2 = new Manager(); // 錯誤