.NET独有的精巧泛型设计模式

Posted 2020-07-16

在.NET发展史中，2.0是具有里程碑意义的一个版本。从这个版本，.NET青出于蓝(Java)，而胜于蓝。在.NET 2.0带来的诸多新特性中，我认为泛型是最重要，没有之一。

虽然泛型出现已有多年，连Java都早已借鉴引入了泛型（虽然是语法糖），可是用泛型的编程思维方式并没有得到相应的普及。一方面是由于过去大量的Framework仍然是在非泛型时代写成的，另一方面泛型的设计模式没有得到发展，改变的时候该到了。

来举一个例子说明这两点。我们如果写过网络数据抓取的代码，应该熟悉这样的代码：

var request = WebRequest.Create("http://www.cnblogs.com/") as HttpWebRequest;

 

或者这么写，也是一样：

var request = HttpWebRequest.Create("http://www.cnblogs.com/") as HttpWebRequest;

 

大家可想过，为什么每次都要as一下？

类似的情况还有，比如做图像处理的弟兄会熟悉：

var bm = Image.FromFile("e:\\\\me.jpg") as Bitmap;

 和

var bm = Bitmap.FromFile("e:\\\\me.jpg") as Bitmap;

 我想过，但没想明白。上面两种写法，都是调用父类的工厂方法，实际返回了一个子类的实例。显然，即使不了解OCP，凭直觉也应该想到，父类的实现中不应该被子类所决定。写WebRequest和Image的前辈可能也觉得直接返回子类实例不妥，所以阴险地把方法签名的返回类型改成了父类。

虽然这种行径值得严重鄙视。但.NET程序员大都是人云亦云，照葫芦画瓢的好学生，所以这个问题多年了也没有修改。

理想的设计应该是这样：父类的每个子类，都有独立的工厂方法，返回其自身的实例。这样做法，在泛型出现前非常笨拙，得不偿失，但有了泛型，就可以精巧地实现。

以模拟Image类为例，Image和BitMap实现如下:

class Image<T> where T:Image<T>, new()
{
    public string Path { get; set; }

    public static T FromFile(string path)
    {
        return new T() { Path = path };
    }
}

class Bitmap:Image<Bitmap>
{
}

 

Image自身的工厂方法，就没有存在的必要了。

可以简单地测试一下：

var path = @"e:\\me.jpg";
var bm = Bitmap.FromFile(path); ;

Console.WriteLine(bm.Path);
Console.WriteLine(bm.GetType().Name);

 

输出结果如下：

Path: e:\\me.jpg
Type: Bitmap

为了让大家更熟悉一下，再举一个实现数据结构中的二叉树作例子。

传统的树节点类，无论无论C/C++/Java都是类似这样：

class TreeNode
{
    public TreeNode LeftChild { get; set; }

    public TreeNode RightChild { get; set; }

    public TreeNode Parent { get; set; }

    public int Value { get; set; }
}

 

大家知道，二叉树又分好几种，AVL树、B树、红黑树等等。实现特殊的二叉树数据结构，势必要继承TreeNode。由于树节点的类型中，有类型为基类的成员，所以在子类操作这些成员时，往往也要强制转换类型，这比Image和WebRequest的例子，只在实例创建时转换类型还麻烦。

这就该泛型模式一显身手的好机会了，请看其父类型的实现：

/// <typeparam name="T">Type of the node.</typeparam>
/// <typeparam name="K">Type of the node value.</typeparam>
class TreeNode<T,K> where T:TreeNode<T,K> where K: IComparable<K>
{
    public T LeftChild { get; set; }

    public T RightChild { get; set; }

    public T Parent { get; set; }

    public K Value { get; set; }
}

 

之后，实现任何一种特殊二叉树结构，比如RBTreeNode代表红黑树节点，可以这样：

class RBTreeNode : TreeNode<RBTreeNode,Int32>
{
    /// <summary>
    /// 树节点颜色，是否为红。
    /// </summary>
    public bool IsRed { get; set; }

    public override string ToString()
    {
        return this.Value + "," + (this.IsRed ? "R" : "B");
    }
}

 

这个是AVL树：

class AvlTreeNode : TreeNode<AvlTreeNode,Int32>
{
    /// <summary>
    /// 节点的平衡度
    /// </summary>
    public int Balance { get; set; }

    public override string ToString()
    {
        return "Balance: " + Balance + ", Value: " + this.Value;
    }
}

 

不但完全符合OCP原则，而且再也不需要as来强制转换节点类型了。

这肯定不是我的首创，其实.NET Framework中已经不少这样的设计，比如IComparable<T>接口。也有不少优秀的框架采用了类似的设计，比如大石头同学的ORM框架NewLife.XCode。

看上去也很简单吧，但是很多人思维还停留在面向对象语言刚诞生的阶段，还不习惯用这种设计模式。我认为这种写法足够典型和通用，足以得上一种设计模式，而且是.NET特殊优势，独特魅力。

说到设计模式，其实GOF提出的23种设计模式多年了，已经过时，出现了许多新模式（比如并发编程方面，参考Wiki Design Pattern）。旧有的模式中，有的已经包含在.NET语言特性中，有的模式实现方式已经改头换面。尤其在泛型出现后，许多模式的实现可以变得简洁许多，优雅许多。

不要一遍遍炒过去的冷饭，设计模式应该与时俱进，永远是充满新鲜活力的话题。