理解C#.NET泛型运作原理-开发框架文库

理解C#.NET泛型运作原理

前言

我们都知道泛型在C#的重要性，泛型是OOP语言中三大特征的多态的最重要的体现，几乎泛型撑起了整个.NET框架，在讲泛型之前，我们可以抛出一个问题，我们现在需要一个可扩容的数组类，且满足所有类型，不管是值类型还是引用类型，那么在没有用泛型方法实现，如何实现？

一.泛型之前的故事

我们肯定会想到用object来作为类型参数，因为在C#中，所有类型都是基于Object类型的。因此Object是所有类型的最基类，那么我们的可扩容数组类如下：

 public class ArrayExpandable
 {
     private object?[] _items = null;

     private int _defaultCapacity = 4;

     private int _size;

     public object? this[int index]
     {
         get
         {
                if (index < 0 || index >= _size) 
                    throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));
                return _items[index];
         }
         set
         {
                if (index < 0 || index >= _size) 
                    throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));
                _items[index] = value;
         }
     }

     public int Capacity
     {
         get => _items.Length;
         set
         {
              if (value < _size)
              {
                  throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(value));
              }
              if (value != _items.Length)
              {
                  if (value > 0)
                  {
                      object[] newItems = new object[value];
                      if (_size > 0)
                      {
                          Array.Copy(_items, newItems, _size);
                      }
                      _items = newItems;
                  }
                  else
                  {
                      _items = new object[_defaultCapacity];
                  }
              }
         }
    }

    public int Count => _size;


    public ArrayExpandable()
    {
        _items = new object?[0];
    }

    public ArrayExpandable(int capacity)
    {
        _items = new object?[capacity];
    }

    public void Add(object? value)
    {
        //数组元素为0或者数组元素容量满
        if (_size == _items.Length) EnsuresCapacity(_size + 1);
        _items[_size] = value;
        _size++;
    }

    private void EnsuresCapacity(int size)
    {
        if (_items.Length < size)
        {
            int newCapacity = _items.Length == 0 ? _defaultCapacity : _items.Length * 2;
            if (newCapacity < size) newCapacity = size;
            Capacity = newCapacity;
        }
   }

然后我们来验证下：

var arrayStr = new ArrayExpandable();
var strs = new string[] { "ryzen", "reed", "wymen" };
for (int i = 0; i < strs.Length; i++)
{
     arrayStr.Add(strs[i]);
     string value = (string)arrayStr[i];//改为int value = (int)arrayStr[i] 运行时报错
     Console.WriteLine(value);
}
Console.WriteLine($"Now {nameof(arrayStr)} Capacity:{arrayStr.Capacity}");

var array = new ArrayExpandable();
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
     array.Add(i);
     int value = (int)array[i];
     Console.WriteLine(value);
}
Console.WriteLine($"Now {nameof(array)} Capacity:{array.Capacity}");

输出：

ryzen
reed
wymen
gavin
Now arrayStr Capacity:4
0
1
2
3
4
Now array Capacity:8

貌似输出结果是正确的，能够动态进行扩容，同样的支持值类型Struct的int32和引用类型的字符串，但是其实这里会发现一些问题，那就是

引用类型string进行了类型转换的验证
值类型int32进行了装箱和拆箱操作，同时进行类型转换类型的检验
发生的这一切都是在运行时的，假如类型转换错误，得在运行时才能报错

大致执行模型如下：

引用类型:

理解C#泛型运作原理

值类型:

理解C#泛型运作原理

那么有没有一种方法能够避免上面遇到的三种问题呢？在借鉴了cpp的模板和java的泛型经验，在C#2.0的时候推出了更适合.NET体系下的泛型

二.用泛型实现

public class ArrayExpandable<T>
{
     private T[] _items;

     private int _defaultCapacity = 4;

     private int _size;

     public T this[int index]
     {
         get
         {
             if (index < 0 || index >= _size) 
                 throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));
             return _items[index];
         }
         set
         {
             if (index < 0 || index >= _size) 
                 throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(index));
             _items[index] = value;
          }
     }

     public int Capacity
     {
         get => _items.Length;
         set
         {
             if (value < _size)
             {
                 throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(value));
             }
             if (value != _items.Length)
             {
                 if (value > 0)
                 {
                     T[] newItems = new T[value];
                     if (_size > 0)
                     {
                         Array.Copy(_items, newItems, _size);
                     }
                     _items = newItems;
                 }
                 else
                 {
                     _items = new T[_defaultCapacity];
                 }
             }
          }
     }

     public int Count => _size;


     public ArrayExpandable()
     {
         _items = new T[0];
     }

     public ArrayExpandable(int capacity)
     {
         _items = new T[capacity];
     }
     public void Add(T value)
     {
         //数组元素为0或者数组元素容量满
         if (_size == _items.Length) EnsuresCapacity(_size + 1);
         _items[_size] = value;
         _size++;
     }

     private void EnsuresCapacity(int size)
     {
         if (_items.Length < size)
         {
             int newCapacity = _items.Length == 0 ? _defaultCapacity : _items.Length * 2;
             if (newCapacity < size) newCapacity = size;
             Capacity = newCapacity;
         }
     }
 }

那么测试代码则改写为如下：

var arrayStr = new ArrayExpandable<string>();
var strs = new string[] { "ryzen", "reed", "wymen", "gavin" };
for (int i = 0; i < strs.Length; i++)
{
     arrayStr.Add(strs[i]);
     string value = arrayStr[i];//改为int value = arrayStr[i] 编译报错
     Console.WriteLine(value);
}
Console.WriteLine($"Now {nameof(arrayStr)} Capacity:{arrayStr.Capacity}");

var array = new ArrayExpandable<int>();
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
     array.Add(i);
     int value = array[i];
     Console.WriteLine(value);
}
Console.WriteLine($"Now {nameof(array)} Capacity:{array.Capacity}");

输出：

ryzen
reed
wymen
gavin
Now arrayStr Capacity:4
0
1
2
3
4
Now array Capacity:8

我们通过截取部分ArrayExpandable<T>的IL查看其本质是个啥：

//声明类
.class public auto ansi beforefieldinit MetaTest.ArrayExpandable`1<T>
       extends [System.Runtime]System.Object
{
  .custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.DefaultMemberAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 04 49 74 65 6D 00 00 )                      
} 


//Add方法
.method public hidebysig instance void  Add(!T 'value') cil managed
{
  // 代码大小       69 (0x45)
  .maxstack  3
  .locals init (bool V_0)
  IL_0000:  nop
  IL_0001:  ldarg.0
  IL_0002:  ldfld      int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::_size
  IL_0007:  ldarg.0
  IL_0008:  ldfld      !0[] class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::_items
  IL_000d:  ldlen
  IL_000e:  conv.i4
  IL_000f:  ceq
  IL_0011:  stloc.0
  IL_0012:  ldloc.0
  IL_0013:  brfalse.s  IL_0024
  IL_0015:  ldarg.0
  IL_0016:  ldarg.0
  IL_0017:  ldfld      int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::_size
  IL_001c:  ldc.i4.1
  IL_001d:  add
  IL_001e:  call       instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::EnsuresCapacity(int32)
  IL_0023:  nop
  IL_0024:  ldarg.0
  IL_0025:  ldfld      !0[] class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::_items
  IL_002a:  ldarg.0
  IL_002b:  ldfld      int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::_size
  IL_0030:  ldarg.1
  IL_0031:  stelem     !T
  IL_0036:  ldarg.0
  IL_0037:  ldarg.0
  IL_0038:  ldfld      int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::_size
  IL_003d:  ldc.i4.1
  IL_003e:  add
  IL_003f:  stfld      int32 class MetaTest.ArrayExpandable`1<!T>::_size
  IL_0044:  ret
} // end of method ArrayExpandable`1::Add

原来定义的时候就是用了个T作为占位符，起一个模板的作用，我们对其实例化类型参数的时候，补足那个占位符，我们可以在编译期就知道了其类型，且不用在运行时进行类型检测，而我们也可以对比ArrayExpandable和ArrayExpandable<T>在类型为值类型中的IL，查看是否进行拆箱和装箱操作，以下为IL截取部分：

ArrayExpandable:

  IL_0084:  newobj     instance void GenericSample.ArrayExpandable::.ctor()
  IL_0089:  stloc.2
  IL_008a:  ldc.i4.0
  IL_008b:  stloc.s    V_6
  IL_008d:  br.s       IL_00bc
  IL_008f:  nop
  IL_0090:  ldloc.2
  IL_0091:  ldloc.s    V_6
  IL_0093:  box        [System.Runtime]System.Int32 //box为装箱操作
  IL_0098:  callvirt   instance void GenericSample.ArrayExpandable::Add(object)
  IL_009d:  nop
  IL_009e:  ldloc.2
  IL_009f:  ldloc.s    V_6
  IL_00a1:  callvirt   instance object GenericSample.ArrayExpandable::get_Item(int32)
  IL_00a6:  unbox.any  [System.Runtime]System.Int32 //unbox为拆箱操作

ArrayExpandable<T>:

 IL_007f:  newobj     instance void class GenericSample.ArrayExpandable`1<int32>::.ctor()
  IL_0084:  stloc.2
  IL_0085:  ldc.i4.0
  IL_0086:  stloc.s    V_6
  IL_0088:  br.s       IL_00ad
  IL_008a:  nop
  IL_008b:  ldloc.2
  IL_008c:  ldloc.s    V_6
  IL_008e:  callvirt  instance void class GenericSample.ArrayExpandable`1<int32>::Add(!0)
  IL_0093:  nop
  IL_0094:  ldloc.2
  IL_0095:  ldloc.s    V_6
  IL_0097:  callvirt   instance !0 class GenericSample.ArrayExpandable`1<int32>::get_Item(int32)

我们从IL也能看的出来，ArrayExpandable<T>的T作为一个类型参数，在编译后在IL已经确定了其类型，因此当然也就不存在装拆箱的情况，在编译期的时候IDE能够检测类型，因此也就不用在运行时进行类型检测，但并不代表不能通过运行时检测类型(可通过is和as)，还能通过反射体现出泛型的灵活性，后面会讲到

其实有了解ArrayList和List的朋友就知道，ArrayExpandable和ArrayExpandable<T>其实现大致就是和它们一样，只是简化了很多的版本，我们这里可以通过 BenchmarkDotNet 来测试其性能对比，代码如下：

    [SimpleJob(RuntimeMoniker.NetCoreApp31,baseline:true)]
    [SimpleJob(RuntimeMoniker.NetCoreApp50)]
    [MemoryDiagnoser]
    public class TestClass
    {

        [Benchmark]
        public void EnumAE_ValueType()
        {
            ArrayExpandable array = new ArrayExpandable();
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                array.Add(i);//装箱
                int value = (int)array[i];//拆箱
            }
            array = null;//确保进行垃圾回收
        }

        [Benchmark]
        public void EnumAE_RefType()
        {
            ArrayExpandable array = new ArrayExpandable();
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                array.Add("r");
                string value = (string)array[i];
            }
            array = null;//确保进行垃圾回收
        }

        [Benchmark]
       public void EnumAE_Gen_ValueType()
        {
            ArrayExpandable<int> array = new ArrayExpandable<int>();
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                array.Add(i);
                int value = array[i];
            }
            array = null;//确保进行垃圾回收;
        }

        [Benchmark]
        public void EnumAE_Gen_RefType()
        {
            ArrayExpandable<string> array = new ArrayExpandable<string>();
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                array.Add("r");
                string value = array[i];
            }
            array = null;//确保进行垃圾回收;
        }

        [Benchmark]
        public void EnumList_ValueType()
        {
            List<int> array = new List<int>();
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                array.Add(i);
                int value = array[i];
            }
            array = null;//确保进行垃圾回收;
        }


        [Benchmark]
        public void EnumList_RefType()
        {
            List<string> array = new List<string>();
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                array.Add("r");
                string value = array[i];
            }
            array = null;//确保进行垃圾回收;
        }

        [Benchmark(Baseline =true)]
        public void EnumAraayList_valueType()
        {
            ArrayList array = new ArrayList();
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                array.Add(i);
                int value = (int)array[i];
            }
            array = null;//确保进行垃圾回收;
        }


        [Benchmark]
        public void EnumAraayList_RefType()
        {
            ArrayList array = new ArrayList();
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                array.Add("r");
                string value = (string)array[i];
            }
            array = null;//确保进行垃圾回收;
        }
    }

我还加入了.NETCore3.1和.NET5的对比,且以.NETCore3.1的EnumAraayList_valueType方法为基准，性能测试结果如下：

理解C#泛型运作原理

用更直观的柱形图来呈现：

理解C#泛型运作原理

我们能看到在这里List的性能在引用类型和值类型中都是所以当中是最好的，不管是执行时间、GC次数，分配的内存空间大小，都是最优的，同时.NET5在几乎所有的方法中性能都是优于.NETCore3.1,这里还提一句，我实现的ArrayExpandable和ArrayExpandable<T>性能都差于ArrayList和List，我还没实现IList和各种方法，只能说句dotnet基金会牛逼

三.泛型的多态性

多态的声明

类、结构、接口、方法、和委托可以声明一个或者多个类型参数,我们直接看代码:

interface IFoo<InterfaceT>
{
   void InterfaceMenthod(InterfaceT interfaceT);
}

class Foo<ClassT, ClassT1>: IFoo<StringBuilder>
{
   public ClassT1 Field;
    
   public delegate void MyDelegate<DelegateT>(DelegateT delegateT);

   public void DelegateMenthod<DelegateT>(DelegateT delegateT, MyDelegate<DelegateT> myDelegate)
   {
        myDelegate(delegateT);
   }

   public static string operator +(Foo<ClassT, ClassT1> foo,string s)
   {
        return $"{s}:{foo.GetType().Name}";
   }


   public List<ClassT> Property{ get; set; }
   public ClassT1 Property1 { get; set; }

   public ClassT this[int index] => Property[index];//没判断越界


   public Foo(List<ClassT> classT, ClassT1 classT1)
   {
        Property = classT;
        Property1 = classT1;
        Field = classT1;
        Console.WriteLine($"构造函数:parameter1 type:{Property.GetType().Name}，parameter2 type:{Property1.GetType().Name}");
   }

        //方法声明了多个新的类型参数
   public void Method<MenthodT, MenthodT1>(MenthodT menthodT, MenthodT1 menthodT1)
   {
       Console.WriteLine($"Method<MenthodT, MenthodT1>:{(menthodT.GetType().Name)}:{menthodT.ToString()}," +
        $"{menthodT1.GetType().Name}:{menthodT1.ToString()}");
   }

   public void Method(ClassT classT)
   {
        Console.WriteLine($"{nameof(Method)}:{classT.GetType().Name}:classT?.ToString()");
    }

    public void InterfaceMenthod(StringBuilder interfaceT)
    {
            Console.WriteLine(interfaceT.ToString());
    }
}

控制台测试代码:

static void Main(string[] args)
{
     Test();
     Console.ReadLine();
}

static void Test()
{
     var list = new List<int>() { 1, 2, 3, 4 };
     var foo = new Foo<int, string>(list, "ryzen");

     var index = 0;
     Console.WriteLine($"索引：索引{index}的值:{foo[index]}");
    
     Console.WriteLine($"Filed:{foo.Field}");

     foo.Method(2333);

     foo.Method<DateTime, long>(DateTime.Now, 2021);

     foo.DelegateMenthod<string>("this is a delegate", DelegateMenthod);

     foo.InterfaceMenthod(new StringBuilder().Append("InterfaceMenthod:this is a interfaceMthod"));

      Console.WriteLine(foo+"重载+运算符");
}

static void DelegateMenthod(string str)
{
      Console.WriteLine($"{nameof(DelegateMenthod)}:{str}");
}

输出如下:

构造函数:parameter1 type:List`1，parameter2 type:String
索引：索引0的值:1
Filed:ryzen
Method:Int32:classT?.ToString()
Method<MenthodT, MenthodT1>:DateTime:2021/03/02 11:45:40,Int64:2021
DelegateMenthod:this is a delegate
InterfaceMenthod:this is a interfaceMthod
重载+运算符:Foo`2

我们通过例子可以看到的是：

类(结构也可以)，接口，委托，方法都可以声明一个或多个类型参数，体现了声明的多态性
类的函数成员：属性，字段，索引，构造器，运算符只能引入类声明的类型参数，不能够声明，唯有方法这一函数成员具备声明和引用类型参数两种功能，由于具备声明功能，因此可以声明和委托一样的类型参数并且引用它，这也体现了方法的多态性

多态的继承

父类和实现类或接口的接口都可以是实例化类型，直接看代码：

interface IFooBase<IBaseT>{}

interface IFoo<InterfaceT>: IFooBase<string>
{
    void InterfaceMenthod(InterfaceT interfaceT);
}

class FooBase<ClassT>
{

}

class Foo<ClassT, ClassT1>: FooBase<ClassT>,IFoo<StringBuilder>{}

我们可以通过例子看出：

由于Foo的基类FooBase定义的和Foo有着共享的类型参数ClassT，因此可以在继承的时候不实例化类型
而Foo和IFoo接口没定义相同的类型参数，因此可以在继承的时候实例化出接口的类型参数StringBuild出来
IFoo和IFooBase没定义相同的类型参数，因此可以在继承的时候实例化出接口的类型参数string出来
上述都体现出继承的多态性

多态的递归

我们定义如下一个类和一个方法，且不会报错:

    class D<T> { }
    class C<T> : D<C<C<T>>> 
    { 
        void Foo()
        {
            var foo = new C<C<T>>();
            Console.WriteLine(foo.ToString());
        }
    }

因为T能在实例化的时候确定其类型，因此也支持这种循环套用自己的类和方法的定义

四.泛型的约束

where的约束

我们先上代码:

    class FooBase{ }

    class Foo : FooBase 
    {
        
    }
    
    class someClass<T,K> where T:struct where K :FooBase,new()
    {

    }

    static void TestConstraint()
    {
        var someClass = new someClass<int, Foo>();//通过编译
        //var someClass = new someClass<string, Foo>();//编译失败,string不是struct类型
        //var someClass = new someClass<string, long>();//编译失败,long不是FooBase类型
    }

再改动下Foo类:

class Foo : FooBase 
{
   public Foo(string str)
   {

   }
}

static void TestConstraint()
{
   var someClass = new someClass<int, Foo>();//编译失败，因为new()约束必须类含有一个无参构造器，可以再给Foo类加上个无参构造器就能编译通过
}

我们可以看到，通过where语句，可以对类型参数进行约束，而且一个类型参数支持多个约束条件(例如K)，使其在实例化类型参数的时候，必须按照约束的条件对应实例符合条件的类型，而where条件约束的作用就是起在编译期约束类型参数的作用

out和in的约束

说到out和in之前，我们可以说下协变和逆变，在C#中，只有泛型接口和泛型委托可以支持协变和逆变

协变

我们先看下代码：

class FooBase{ }

class Foo : FooBase 
{

}

interface IBar<T> 
{
    T GetValue(T t);
}

class Bar<T> : IBar<T>
{
   public T GetValue(T t)
   {
       return t;
   }
}

static void Test()
{
    var foo = new Foo();
    FooBase fooBase = foo;//编译成功

    IBar<Foo> bar = new Bar<Foo>();
    IBar<FooBase> bar1 = bar;//编译失败
 }

这时候你可能会有点奇怪，为啥那段代码会编译失败，明明Foo类可以隐式转为FooBase，但作为泛型接口类型参数实例化却并不能呢？使用out约束泛型接口IBar的T，那段代码就会编译正常，但是会引出另外一段编译报错：

interface IBar<out T> 
{
    T GetValue(string str);//编译成功
    //T GetValue(T t);//编译失败 T不能作为形参输入，用out约束T支持协变，T可以作为返回值输出
    
}

IBar<Foo> bar = new Bar<Foo>();
IBar<FooBase> bar1 = bar;//编译正常

因此我们可以得出以下结论：

由于Foo继承FooBase，本身子类Foo包含着父类允许访问的成员，因此能隐式转换父类，这是类型安全的转换，因此叫协变
在为泛型接口用out标识其类型参数支持协变后，约束其方法的返回值和属性的Get(本质也是个返回值的方法)才能引用所声明的类型参数，也就是作为输出值，用out很明显的突出了这一意思

而支持迭代的泛型接口IEnumerable也是这么定义的：

    public interface IEnumerable<out T> : IEnumerable
    {
        new IEnumerator<T> GetEnumerator();
    }

逆变

我们将上面代码改下:

class FooBase{ }

class Foo : FooBase 
{

}

interface IBar<T> 
{
    T GetValue(T t);
}

class Bar<T> : IBar<T>
{
   public T GetValue(T t)
   {
       return t;
   }
}

static void Test1()
{
    var fooBase = new FooBase();
    Foo foo = (Foo)fooBase;//编译通过，运行时报错

    IBar<FooBase> bar = new Bar<FooBase>();
    IBar<Foo> bar1 = (IBar<Foo>)bar;//编译通过，运行时报错
}

我们再改动下IBar，发现出现另外一处编译失败

interface IBar<in T> 
{
    void GetValue(T t);//编译成功
    //T GetValue(T t);//编译失败 T不能作为返回值输出，用in约束T支持逆变，T可以作为返回值输出
}

 IBar<FooBase> bar = new Bar<FooBase>();
 IBar<Foo> bar1 = (IBar<Foo>)bar;//编译通过，运行时不报错
 IBar<Foo> bar1 = bar;//编译通过，运行时不报错

因此我们可以得出以下结论：

由于FooBase是Foo的父类，并不包含子类的自由的成员，转为为子类Foo是类型不安全的，因此在运行时强式转换的报错了，但编译期是不能够确认的
在为泛型接口用in标识其类型参数支持逆变后，in约束其接口成员不能将其作为返回值(输出值),我们会发现协变和逆变正是一对反义词
这里提一句，值类型是不支持协变和逆变的

同样的泛型委托Action就是个逆变的例子：

public delegate void Action<in T>(T obj);

五.泛型的反射

我们先来看看以下代码:

static void Main(string[] args)
{
    var lsInt = new ArrayExpandable<int>();
    lsInt.Add(1);
    var lsStr = new ArrayExpandable<string>();
    lsStr.Add("ryzen");
    var lsStr1 = new ArrayExpandable<string>();
    lsStr.Add("ryzen");
}

然后通过ildasm查看其IL，开启视图-》显示标记值，查看Main方法：

void  Main(string[] args) cil managed
{
  .entrypoint
  // 代码大小       52 (0x34)
  .maxstack  2
  .locals /*11000001*/ init (class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<int32> V_0,
           class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<string> V_1,
           class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<string> V_2)
  IL_0000:  nop
  IL_0001:  newobj     instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<int32>/*1B000001*/::.ctor() /* 0A00000C */
  IL_0006:  stloc.0
  IL_0007:  ldloc.0
  IL_0008:  ldc.i4.1
  IL_0009:  callvirt   instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<int32>/*1B000001*/::Add(!0) /* 0A00000D */
  IL_000e:  nop
  IL_000f:  newobj     instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<string>/*1B000002*/::.ctor() /* 0A00000E */
  IL_0014:  stloc.1
  IL_0015:  ldloc.1
  IL_0016:  ldstr      "ryzen" /* 70000001 */
  IL_001b:  callvirt   instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<string>/*1B000002*/::Add(!0) /* 0A00000F */
  IL_0020:  nop
  IL_0021:  newobj     instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<string>/*1B000002*/::.ctor() /* 0A00000E */
  IL_0026:  stloc.2
  IL_0027:  ldloc.1
  IL_0028:  ldstr      "ryzen" /* 70000001 */
  IL_002d:  callvirt   instance void class MetaTest.ArrayExpandable`1/*02000003*/<string>/*1B000002*/::Add(!0) /* 0A00000F */
  IL_0032:  nop
  IL_0033:  ret
} // end of method Program::Main

打开元数据表将上面所涉及到的元数据定义表和类型规格表列出：

metainfo:

-----------定义部分
TypeDef #2 (02000003)
-------------------------------------------------------
	TypDefName: MetaTest.ArrayExpandable`1  (02000003)
	Flags     : [Public] [AutoLayout] [Class] [AnsiClass] [BeforeFieldInit]  (00100001)
	Extends   : 0100000C [TypeRef] System.Object
	1 Generic Parameters
		(0) GenericParamToken : (2a000001) Name : T flags: 00000000 Owner: 02000003
	
	Method #8 (0600000a) 
	-------------------------------------------------------
		MethodName: Add (0600000A)
		Flags     : [Public] [HideBySig] [ReuseSlot]  (00000086)
		RVA       : 0x000021f4
		ImplFlags : [IL] [Managed]  (00000000)
		CallCnvntn: [DEFAULT]
		hasThis 
		ReturnType: Void
		1 Arguments
			Argument #1:  Var!0
		1 Parameters
		(1) ParamToken : (08000007) Name : value flags: [none] (00000000)
		

------类型规格部分
TypeSpec #1 (1b000001)
-------------------------------------------------------
	TypeSpec : GenericInst Class MetaTest.ArrayExpandable`1< I4> //14代表int32
	MemberRef #1 (0a00000c)
	-------------------------------------------------------
		Member: (0a00000c) .ctor: 
		CallCnvntn: [DEFAULT]
		hasThis 
		ReturnType: Void
		No arguments.
	MemberRef #2 (0a00000d)
	-------------------------------------------------------
		Member: (0a00000d) Add: 
		CallCnvntn: [DEFAULT]
		hasThis 
		ReturnType: Void
		1 Arguments
			Argument #1:  Var!0

TypeSpec #2 (1b000002)
-------------------------------------------------------
	TypeSpec : GenericInst Class MetaTest.ArrayExpandable`1< String>
	MemberRef #1 (0a00000e)
	-------------------------------------------------------
		Member: (0a00000e) .ctor: 
		CallCnvntn: [DEFAULT]
		hasThis 
		ReturnType: Void
		No arguments.
	MemberRef #2 (0a00000f)
	-------------------------------------------------------
		Member: (0a00000f) Add: 
		CallCnvntn: [DEFAULT]
		hasThis 
		ReturnType: Void
		1 Arguments
		Argument #1:  Var!0

这时候我们就可以看出，元数据为泛型类ArrayExpandable<T>定义一份定义表,生成两份规格，也就是当你实例化类型参数为int和string的时候，分别生成了两份规格代码，同时还发现以下的现象：

var lsInt = new ArrayExpandable<int>();//引用的是类型规格1b000001的成员0a00000c .ctor构造
lsInt.Add(1);//引用的是类型规格1b000001的成员0a00000d Add
    
var lsStr = new ArrayExpandable<string>();//引用的是类型规格1b000002的成员0a00000e .ctor构造
lsStr.Add("ryzen");//引用的是类型规格1b000002的成员0a00000f Add
var lsStr1 = new ArrayExpandable<string>();//和lsStr一样
lsStr.Add("ryzen");//和lsStr一样

非常妙的是，当你实例化两个一样的类型参数string，是共享一份类型规格的，也就是同享一份本地代码，因此上面的代码在线程堆栈和托管堆的大致是这样的:

理解C#泛型运作原理

由于泛型也有元数据的存在，因此可以对其做反射：

Console.WriteLine($"-----------{nameof(lsInt)}---------------");
Console.WriteLine($"{nameof(lsInt)} is generic?:{lsInt.GetType().IsGenericType}");
Console.WriteLine($"Generic type:{lsInt.GetType().GetGenericArguments()[0].Name}");
Console.WriteLine("---------Menthods:");
foreach (var method in lsInt.GetType().GetMethods())
{
      Console.WriteLine(method.Name);
}
Console.WriteLine("---------Properties:");
foreach (var property in lsInt.GetType().GetProperties())
{
      Console.WriteLine($"{property.PropertyType.ToString()}:{property.Name}");
}


Console.WriteLine($"\n-----------{nameof(lsStr)}---------------");
Console.WriteLine($"{nameof(lsStr)} is generic?:{lsStr.GetType().IsGenericType}");
Console.WriteLine($"Generic type:{lsStr.GetType().GetGenericArguments()[0].Name}");
Console.WriteLine("---------Menthods:");
foreach (var method in lsStr.GetType().GetMethods())
{
      Console.WriteLine(method.Name);
}
Console.WriteLine("---------Properties:");
foreach (var property in lsStr.GetType().GetProperties())
{
      Console.WriteLine($"{property.PropertyType.ToString()}:{property.Name}");
}

输出:

-----------lsInt---------------
lsInt is generic?:True
Generic type:Int32
---------Menthods:
get_Item
set_Item
get_Capacity
set_Capacity
get_Count
Add
GetType
ToString
Equals
GetHashCode
---------Properties:
System.Int32:Item
System.Int32:Capacity
System.Int32:Count


-----------lsStr---------------
lsStr is generic?:True
Generic type:String
---------Menthods:
get_Item
set_Item
get_Capacity
set_Capacity
get_Count
Add
GetType
ToString
Equals
GetHashCode
---------Properties:
System.String:Item
System.Int32:Capacity
System.Int32:Count

六.总结

泛型编程作为.NET体系中一个很重要的编程思想，主要有以下亮点：

编译期确定类型，避免值类型的拆装箱和不必要的运行时类型检验，同样运行时也能通过is和as进行类型检验
通过约束进行对类型参数实例化的范围
同时在IL层面，实例化相同类型参数的时候共享一份本地代码
由于元数据的存在，也能在运行时进行反射，增强其灵活性

参考

Design and Implementation of Generics for the .NET Common Language Runtime

https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/programming-guide/generics/

《CLR Via C# 第四版》

《你必须知道的.NET(第二版)》

理解C#.NET泛型运作原理

目录

前言

一.泛型之前的故事

二.用泛型实现

三.泛型的多态性

多态的声明

多态的继承

多态的递归

四.泛型的约束

where的约束

out和in的约束

协变

逆变

五.泛型的反射

六.总结

参考