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A Conversation with Anders Hejlsberg, Part VII
by Bill Venners with Bruce Eckel. January 26, 2004
摘要
Anders Hejlsberg，C#的主架構師，與Bruce Eckel和Bill Venners 談論了C#和Java的泛型、C++模板、C#的constraints特性以及弱類型化和強類型化的問題。
Anders Hejlsberg，微軟的一位傑出工程師，他領導了C#（發音是C Sharp）編程語言的設計團隊。Hejlsberg首次躍上軟件業界舞臺是源於他在80年代早期爲MS-DOS和CP/M寫的一個Pascal編譯器。不久一個叫做Borland的非常年輕的公司僱傭了他並且買下了他的編譯器，從那以後這個編譯器就作爲Turbo Pascal在市場上推廣。在Borland，Hejlsberg繼續開發Turbo Pacal並且在後來領導一個團隊設計Turbo Pascal的替代品：Delphi。1996年，在Borland工作13年以後，Hejlsberg加入了微軟，在那裏一開始作爲Visual J++和windows基礎類庫（WFC）的架構師。隨後，Hejlsberg擔任了C#的主要設計者和.NET框架創建過程中的一個主要參與者。現在，Anders Hejlsberg領導C#編程語言的後續開發。
2003年7月30號，Bruce Eckel（《Thinking in C++》以及《Thinking in Java》的作者）和Bill Venners（Artima.com的主編）與Anders Hejlsberg在他位於華盛頓州Redmond的微軟辦公室進行了一次面談。這次訪談的內容將分多次發佈在Artima.com以及Bruce Eckel將於今年秋天發佈的一張音頻光碟上。在這次訪談中，Anders Hejlsberg談論了C#語言和.NET框架設計上的一些取捨。
· 在 第一部分：C#的設計過程中， Hejlsberg談論了C#設計團隊所採用的流程，以及在語言設計中可用性研究（usability studies）和好的品味（good taste）相對而言的優點。
· 在第二部分:Checked Exceptions的問題中, Hejlsberg談論了已檢測異常（checked exceptions）的版本（versionability）問題和規模擴展（scalability）問題。
· 在第三部分: 委託、組件以及表面上的簡單性裏，Hejlsberg 談論了委託（delegates）以及C#對於組件的概念給予的頭等待遇。
· 在第四部分：版本，虛函數和覆寫裏，Hejlsberg解釋了談論了爲什麼C#的方法默認是非虛函數，以及爲什麼程序員必須顯式指定覆寫（override）。
- 在第五部分：契約和互操作性裏，Hejlsberg談論了DLL hell、接口契約、strong anmes以及互操作的重要性。
- 在第六部分：Inappropriate Abstractions裏, Hejlsberg以及C#團隊的其他成員談論了試圖讓網絡透明的分佈式系統，以及試圖屏蔽掉數據庫的對象——關係映射。
- 在第七部分， Hejlsberg比較了C#和Java的泛型以及C++模板的實現方法，並且介紹了C#的constraints特性以及弱類型化和強類型化的問題。
泛型概述
Bruce Eckel: 能否就泛型做一個簡短的介紹？
Anders Hejlsberg: 泛型的本質就是讓你的類型能夠擁有類型參數。它們也被稱爲參數化類型（parameterized types）或者參數的多態（parametric polymorphism）。經典的例子就是一個List集合類。List是一個方便易用的、可增長的數組。它有一個排序方法，你可以通過索引來引用它的元素，等等。現今，如果沒有參數化類型，在使用數組或者Lists之間就會有些彆扭的地方。如果使用數組，你得到了強類型保證，因爲你可以定義一個關於Customer的數組，但是你沒有可增長性和那些方便易用的方法。如果你用的是List，雖然你得到了所有這些方便，但是卻喪失了強類型保證。你不能指定一個List是關於什麼的List。它只是一個關於Object的List。這會給你帶來一些問題。類型檢測必須在運行時刻做，也就意味着沒有在編譯時刻對類型進行檢測。即便是你塞給List一個Customer對象然後試圖取出一個String，編譯器也不會有絲毫的抱怨。直到運行時刻你纔會發現他會出問題。另外，當把基元類型（primitive type）放入List的時候，還必須對它們進行裝箱（box）。基於上述所有這些問題，Lists與Arrays之間的這種不和諧的地方總是存在的。到底選擇哪個，會讓你一直猶豫不決。
泛型的最大好處就是它讓你有了一個兩全其美的辦法（you can have your cake and eat it too），因爲你可以定義一個List<T>[讀作：List of T]。當使用一個List的時候，你可以實實在在地知道這個List是關於什麼類型的List，並且讓編譯器爲你做強類型檢測。這只是它最直接的好處。接下來還有其它各種各樣的好處。當然，你不會僅僅想讓List擁有泛型。哈希表（Hashtable）或者字典（Dictionary）——隨便你怎麼叫它——把鍵（keys）映射到值（values）。你可能會想要把Strings映射到Customrs，或者ints到Orders，而且是以強類型化的方式。
C#的泛型
Bill Venners: 泛型在C#中是如何工作的？
Anders Hejlsberg: 沒有泛型的C#，基本上你只能寫class List {...}。有了泛型，你可以寫成class List<T> {...}，這裏T是類型參數。在List<T>範圍內你可以把T當作類型來使用，當真正需要創建一個List對象的時候，寫成List<int>或者List<Customer>。新類型是通過List<T>構建的，實際上就像是你的類型參數替換掉了原本的類型參數。所有的T都變成了ints或者Customers，你不需要做類型轉換，因爲到處都會做強類型檢驗。
在CLR（Common Language Runtime）環境下，當編譯List<T>或者其它任何generic類型的時候，會像其它普通類型一樣，先編譯成中間語言IL（Intermediate Language）以及元數據。理所當然，IL以及元數據包含了額外的信息，從而可以知道有一個類型參數，但是從原則上來說，generic類型的編譯與其它類型並沒有什麼不同。在運行時刻，當應用程序第一次引用到List<int>的時候，系統會查找看是否有人已經請求過List<int>。如果沒有，它會把List<T>的IL和元數據以及類型參數int傳遞給JIT。而JITer在即時編譯IL的過程中，也會替換掉類型參數。
Bruce Eckel: 也就是說它是在運行時刻實例化的。
Anders Hejlsberg: 的確如此，它是在運行時刻實例化的。它在需要的時候產生出針對特定類型的原生代碼（native code）。從字面上看，當你說List<int>的時候，你會得到一個關於int的List。如果generic類型的代碼使用了一個關於T的array，你得到的就是一個關於int的array。
Bruce Eckel: 垃圾回收機制會在某個時候來回收它麼？
Anders Hejlsberg: 可以說會，也可以說不會，這是一個正交的問題。這個類在應用程序範圍內被創建，然後在這個應用程序範圍內就一直存在下去。如果你殺掉這個應用程序，那麼這個類也就消失了，這點跟其它類一樣。
Bruce Eckel: 如果我有一個應用程序用到了List<int>和List<Cat>，但是它從來沒有走到使用List<Cat>的那個分支。。。。。。
Anders Hejlsberg:。。。。。。那麼系統就不會實例化一個List<Cat>。現在讓我說說一些例外的情況。如果你是使用NGEN在創建一個影像（image），也就是說你在直接產生一個native的映像，你可以提早產生這些實例。但是如果你是在通常的情況下運行程序，是否實例化是完全根據需要來確定的，而且推遲到越晚越好。
這之後，我們針對所有值類型（比如List<int>，List<long>，List<Double>， List<float>）的實例化做進一步的處理，創建可執行的原生代碼的唯一拷貝。這樣List<int>就有它自己的代碼。List<long>也有它自己的代碼。List<float>也是如此。對於所有引用類型（reference types），我們共享這些代碼，因爲它們所代表的東西是相同的。它們只是一些指針罷了。
Bruce Eckel: 你需要進行類型轉換吧。
Anders Hejlsberg: 不，實際上並不需要。我們可以共享native image，但實際上它們有各自單獨的虛函數表（VTables）。我只是想指出，當共享代碼有意義的時候，我們會不遺餘力的去做這件事情，但是當你非常需要運行效率的時候，我們對於共享代碼會非常謹慎。通常對於值類型，你確實會關心List<int>元素的類型就是int。你不想把它們裝箱（box）成Objects。對值類型進行裝箱/拆箱，是可以用來進行代碼共享的一種方法，但是這種方法代價過於昂貴。
Bill Venners: 對於引用類型，實際上也是完全不同的類。List<Elephant>和List<Orangutan>是不同的，但是它們確實共享所有的類方法的代碼。
Anders Hejlsberg: 是的。作爲實現上的細節來說，它們確實共享了相同的原生代碼（native code）。
C#泛型與Java泛型的比較
Bruce Eckel: C#泛型相比Java泛型有什麼特點？
Anders Hejlsberg: Java的泛型實現是基於一個最初叫做Pizza的項目，這個項目是由Martin Odersky和其他一些人完成的。Pizza被重新命名爲GJ，然後他成了一個JSR，並且最後被採納進了Java語言。這個特定的泛型proposal有一個關鍵的設計目標，就是它應該能夠跑在不必經過改動的虛擬機上。不用改動虛擬機當然很棒，但是它也帶來了一系列奇奇怪怪的限制。這些限制並不都是顯而易見的，但是很快你就會說，“Hmm，這可有點怪。”
比如說，使用Java泛型，實際上你就得不到任何剛纔我所說得程序執行上的效率，因爲當你在Java裏編譯一個泛型類的時候，編譯器拿掉了類型參數併到處代之以Object。List<T>編譯好的影像文件（image）就像是一個到處使用Object（作爲類型參數）的List。當然，如果你試圖創建一個List<int>，那就的對所有用到的int對象進行裝箱（boxing）。這就產生了很大的負擔。此外，爲了與老的虛擬機兼容，編譯器實際上會插入各種各樣的轉換代碼，而這些轉換代碼並不是由你來寫的。如果是一個關於Object的List，而你試圖把這些Objects當作Customers來對待，這些Objects必須在某些地方被轉換成Customers，以便讓verifier的驗證能夠通過。實際上它們的實現所做的就是自動爲你插入那些類型轉換。也就是說你得到了語法上的甜頭，或者至少是一部分語法上的甜頭，但是你並沒有得到任何程序執行上的效率。這是我認爲Java泛型解決方案的第一個問題。
第二個問題是，我認爲這可能是更大的一個問題，因爲Java的泛型實現依賴於去處掉類型參數，當到了運行時刻，你實際上並沒有一個相對於運行時刻的可靠的泛型表示。當你在Java裏針對一個泛型List使用反射（reflection）的時候，你並不知道這個List到底是關於什麼的List。它只是一個List。因爲你已經丟失了類型信息，對於任何動態代碼生成（dynamic code-generation）的應用或者基於反射的應用，就沒法工作了。這種趨勢對我來說已經很明瞭了，（丟失類型信息的）情況越來越多。它根本沒辦法工作，因爲你丟失了類型信息。而在我們的實現裏，所有這些信息都是可獲得的。你可以通過反射得到List<T>對象的System.Type表示。但這時候你還不能創建它的實例，因爲你還不知道T是什麼。但是你可以使用反射得到int的System.Type表示。然後你可以請求反射機制把這兩個東西放在一起創建一個List<int>，這樣你就得到了另外一個用以表示List<int>的System.Type。也就是說，從表示方法來說，任何你可以在編譯時刻做到的事情，你也可以在運行時刻做到。
C#泛型與C++模板的比較
Bruce Eckel: C#泛型相比C++模板有哪些特點？
Anders Hejlsberg: 在我看來，理解C#泛型與C++模板之間的差異最重要的一點就是：C#泛型實際上就像是類，除了它們有類型參數。而C++模板實際上就像是宏（macros），除了它們看起來像是類。
C#泛型與C++模板最大的不同之處在於類型檢驗發生的時間以及實例化的方式。首先，C#是在運行時刻實例化的，而C++ 是在編譯時刻或者可能是在link的時候。但是不管怎樣，C++模板實例化發生在程序運行之前。這是第一個不同之處。第二個不同之處在於，當你編譯generic類型的時候，C#對它進行強類型檢驗。對於像List<T>這樣未加限制的類型參數（unconstrained type parameter），類型T的值所能使用的方法僅限於Object類型所包含的方法，因爲只有這些方法纔是通常我們保證能夠存在的方法。也就是說，在C#泛型裏，我們保證你所實施於類型參數的任何操作都會成功。
C++正好與此相反。在C++裏，你可以對一個類型參數做任何你想做的事情。但是當你對它進行實例化的時候，它有可能通不過，而你會得到一些非常難懂的錯誤信息。比如，你有一個類型參數T以及兩個T類型的變量，x和y，如果你寫成x+y，那你最好事先定義了用於兩個T型變量相加的+運算符，否則你會得到一些古怪的錯誤信息。所以從某種意義上說，C++模板實際上是非類型化的，或者說是弱類型化的。而C#泛型則是強類型化的。
C#泛型的constraints特性
Bruce Eckel: constraints在C#泛型裏是如何工作的？
Anders Hejlsberg: 在C#泛型裏，我們可以針對類型參數加一些限制條件（constraints）。還以List<T>爲例，你可以寫成，class List<T> where T: IComparable。意思是T必須實現IComparable接口。
Bruce Eckel: 有意思的是在C++裏限制條件是隱含的。
Anders Hejlsberg: 是的。在C#裏，你也可以讓限制條件是隱含的。比如說我們有一個Dictionary<K,V>，它有一個add方法，以K爲鍵（key）V爲值（value）。Add方法的實現很可能需要把傳入的鍵與Dictionary已有的鍵進行比較，而且它可能通過一個叫做IComparable的接口來做這個比較。一種方法是把key參數轉換成IComparable，然後調用compareTo方法。當然，當你這麼做的時候，你就已經針對K類型和key參數創建了一個隱式的限制條件。如果傳入的key沒有實現IComparable接口，你就會得到一個運行時錯誤。但是實際上你並沒有在你的哪個方法裏或者約定裏明確表明key必須實現IComparable。而且你當然還得付出運行時刻類型檢測的代價，因爲實際上你所做的是運行時刻的動態類型檢驗。
使用constraint，你可以把代碼裏的動態檢驗提前，在編譯時刻或者加載的時候對它進行驗證。當你指定K必須實現IComparable，這就隱含了一系列的東西。對於任何K類型的值，你都可以直接訪問接口方法，而不需要進行轉換，因爲從語義上來說，在整個程序裏K類型要實現這個接口，這一點是得到保證的。無論什麼時候你想要創建該類型的一個實例，編譯器都會針對你給出的任何作爲K參數的類型進行檢驗，看它是否實現了IComparable。如果沒有實現，你會得到一個編譯時錯誤。或者如果你是利用反射來做的話，會得到一個異常。
Bruce Eckel: 你說到了編譯器以及運行時刻。
Anders Hejlsberg: 編譯器會做檢驗，但是你也可能是在運行時刻通過反射來做的，這時候就由系統來做檢驗。如前所述，任何你在編譯時刻可以做的事情，你都可以在運行時刻通過反射來做。
Bruce Eckel: 我是否可以寫一個模板函數，或者換句話說，一個參數類型未知的函數？你們是在所做的是給容器加上更強的類型檢驗，但是我是否可以像在C++模板裏那樣得到弱類型化的東西呢？比如說，我是否可以寫一個函數，它以A a和B b作爲參數，然後我在代碼裏就可以寫a+b？我是否可以不關心A和B是什麼，只要它們有一個“+”運算符就可以了，因爲我想要的是弱類型化。
Anders Hejlsberg: 你實際上問的是，通過constraints你到底能做到什麼程度？與其它特性類似，如果把constraints發揮到極致，他可以變得異常複雜。仔細想想，其實constraints是一種模式匹配（pattern matching）的機制。你想要能指定，“該類型參數必須有一個接受兩個參數的構造函數，並且實現了+運算符，要有某個靜態方法，以及其它兩個非靜態方法，等等。”問題是，你想要這種模式匹配的機制複雜到哪種程度？
從什麼也不做到功能全面的模式匹配，這是很大的一個範圍。我們認爲什麼也不做太說不過去了，而全面的模式匹配又會變得非常複雜，所以我們選擇了折衷的方式。我們允許你指定一個constraint，它可以是一個類、零個或者多個接口、以及叫做constructor constraint的東西。比如說，你可以指定“該類型必須實現IFoo和IBar接口，”或者“該類型必須繼承自基類X。”一旦你這麼做了，我們會在所有地方做類型檢驗以確認該constraint是否爲真，包括編譯時刻和運行時刻。任何由這個constraint所暗含的方法都可以通過類型參數的實例直接訪問。
另外，在C#裏，運算符都是靜態成員函數。也就是說，一個運算符永遠不可能成爲一個接口的成員函數，因此一個接口限制條件（interface constraint）永遠不可能讓你指定一個“+”運算符。要指定一個“+”運算符，唯一的方法就是通過一個類限制條件（class constraint），這個類限制條件指定說必須繼承自某個類，比如說Number類，因爲Number有一個“+”運算符。但是你不可能把它抽象成：“必須有一個+運算符”，然後由我們來以多態的方式解析它的實際含義。
Bill Venners: 你是通過類型，而不是簽名（signature）來實現限制條件的。
Anders Hejlsberg: 是的。
Bill Venners: 也就是說指定類型必須擴展某個類或者實現某些接口。
Anders Hejlsberg: 是的。本來我們可以走得更遠。我們確實考慮過走得更遠一些，但是那會非常複雜。並且我們不知道添加這些複雜性相對於你所獲得的微不足道的好處，是否值得。如果你想做的事情沒有被constraint系統直接支持，你可以藉助於工廠模式（factory pattern）來完成。比如說，你有一個矩陣類Matrix<T>，在這個Matrix裏你想定義一個標量積（dot product）方法。這當然意味着你最終需要理解如何把兩個T相乘，但你不能把它表達成一個constraint，至少如果T是int、double或者float的時候這樣做不行。但是你可以這麼做：讓Matrix接受一個Calculator<T>這樣的參數，然後在Calculator<T>裏聲明一個叫做multiply的方法。你實現這個方法並把它傳給Matrix。
Bruce Eckel: Calculator也是個參數化類型。
Anders Hejlsberg: 是的，它有點像factory模式。總之，是有辦法來做這些事情的。可能不如你想要的那麼棒，但是任何事情都是有代價的。
Bruce Eckel: 嗯，我感覺C++模板像是一種弱類型化（weak typing）的機制。當你開始在它上面添加constraints的時候，你是在從弱類型化轉向強類型化（strong typing）。通常加入強類型化都會讓事情更加複雜。這像是一個頻譜。
Anders Hejlsberg: 你所意識到的類型化（typing）的問題，其實是一個撥盤（dial）。你把它撥的越高，程序員越覺得難受，但同時代碼更安全了。但是在兩個方向上你都有可能把它撥過頭。
反饋
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資源
Deep Inside C#: An Interview with Microsoft Chief Architect Anders Hejlsberg:
http://windows.oreilly.com/news/hejlsberg_0800.html
A Comparative Overview of C#:
http://genamics.com/developer/csharp_comparative.htm
Microsoft Visual C#:
http://msdn.microsoft.com/vcsharp/
Dan Fernandez's Weblog:
http://blogs.gotdotnet.com/danielfe/
Eric Gunnerson's Weblog:
http://blogs.gotdotnet.com/ericgu/