7.3 Generics 

7.3.1 Ein paar allgemeine Worte 

Eine der vielleicht wichtigsten Ergänzungen der Sprache Visual Basic 2005 in der Version 2.0 sind die Generics. Generics ermöglichen die Verwendung von zur Entwicklungszeit unbekannten Datentypen innerhalb von Klassen, Strukturen, Schnittstellen und Methoden. Sie eignen sich insbesondere für Anwendungsfälle, in denen Collections eine Rolle spielen.

Collections sind im Vergleich zu den Arrays mit einem Nachteil behaftet: die fehlende Typisierung. Wie Sie gesehen haben, lässt sich eine ArrayList zwar sehr gut als Datenspeicher verwenden, aber es kann nicht sichergestellt werden, dass von der ArrayList ausschließlich ein bestimmter Datentyp gespeichert wird. Um das Problem zu lösen, mussten typisierte Collections bisher explizit implementiert werden. Dabei wurden Entwickler von den beiden Klassen CollectionBase und DictionaryBase unterstützt. Wie Sie weiter oben gesehen haben, ist die Codierung einer typisierten Klasse auf Grundlage einer dieser beiden Basisklassen allerdings nicht trivial. Mit Generics ändert sich das, denn die Typisierung wird wesentlich vereinfacht.

7.3.2 Die Typproblematik am Beispiel der Klasse »Stack« 

Der folgende Code zeigt die benutzerdefinierte Klasse Stack mit den beiden Methoden Push und Pop. Die internen Daten werden in einem Object-Array gespeichert. Push erwartet in seinem Parameter ebenfalls Object, und Pop liefert Object an den Aufrufer zurück.

Instanziiert werden kann diese Klasse nur über den Aufruf des einfach parametrisierten Konstruktors, dem ein Integer übergeben wird, der die maximale Anzahl der Elemente im Stack beschreibt. Mit Push wird der Stack-Instanz ein Objekt übergeben. Sollte zu diesem Zeitpunkt die Kapazität des Stacks bereits ausgeschöpft sein, ist eine Ausnahme die Folge. Genauso reagiert auch die Methode Pop, falls sich kein Element mehr auf dem Stack befindet.

Grundsätzlich können sowohl Referenz- als auch Wertetypen auf den Stack geschoben werden. Handelt es sich um Wertetypen, müssen die Daten während des Push-Vorgangs geboxt werden. Beim Auslesen aus dem Stack kommt es zum Unboxing, was sich in einer schlechten Performance bemerkbar macht. Neben diesem Nachteil lässt sich auch noch ein weiterer erkennen: Die Typüberprüfung kann nicht mehr vom Compiler durchgeführt werden, sondern verlagert sich in die Laufzeit. Das folgende Codefragment soll das verdeutlichen:

Dieser Code wird bei der Konvertierung zu einem Laufzeitfehler führen, weil das zuletzt auf den Stack gelegte Element vom Typ Integer ist und zur Laufzeit der Anwendung versucht wird, den Integer in den Typ ClassA zu casten.

Wie Sie sehen können, birgt die Flexibilität des Typs Object in sich gravierende Nachteile. Sie könnten natürlich versuchen, mehrere Klassen zu entwickeln, die auf einen bestimmten Datentyp spezialisiert sind, z.  B.:

Die Typsicherheit wäre damit gewährleistet, daran besteht kein Zweifel. Andererseits führt dieser Ansatz möglicherweise zu einer größeren Anzahl ähnlicher Klassen, die jeweils nur für einen spezifischen Typ geeignet sind. Solche Lösungen sind zwar machbar, allerdings auch schlecht zu warten. Zudem könnte sich in naher oder ferner Zukunft der Bedarf nach einem weiteren Stack mit einem noch nicht berücksichtigten Typ ergeben, so dass man rückblickend mit dem Ergebnis nicht zufrieden wäre. Genau an dieser Stelle spielen Generics ihre ganze Stärke aus.

7.3.3 Die Lösung mit einer generischen Klasse 

Generics erlauben die Verwendung von unbekannten Datentypen. Dazu wird an Stelle eines konkreten Datentyps eine Art Platzhalter angegeben. Dieser wird von der Klasse typisiert benutzt. Die Platzhalter werden in runden Klammern hinter dem neuen Schlüsselwort Of angegeben und innerhalb der Klasse wie reguläre Datentypen verwendet.

Nutzen Sie eine generische Klasse wie Stack(Of T), und teilen Sie dem Compiler mit, durch welchen Datentyp T ersetzt werden soll. T wird auch als generischer Typparameter bezeichnet. In der folgenden Anweisung handelt es sich um Integer:

Alle Methoden der Klasse, die T als Parameter definieren oder zurückgeben, akzeptieren jetzt nur noch Integerwerte. Den Zugriff auf die generische Klasse Stack(Of T) zeigt nachfolgend die Methode Main. Der Code ist in einen Try-Block gefasst, um ausgelöste Ausnahmen behandeln zu können. In Kapitel 9 werden wir das Thema Ausnahmen (Exceptions) noch ausgiebig behandeln.

Mehrere Typparameter

Die zuvor verwendete generische Klasse Stack benötigte einen variablen Datentyp. Je nachdem, wie die zu entwickelnde Klasse aussehen soll, kann der Bedarf an Platzhaltern jedoch variieren. Ein typisches Beispiel dazu wäre eine Dictionary-Klasse, die nicht nur hinsichtlich des Schlüssels, sondern auch hinsichtlich des zugeordneten Werts individuell typisiert werden soll. In solchen Fällen erlaubt Visual Basic 2005 die Angabe mehrerer Platzhalter, die innerhalb der runden Klammer mittels Kommata getrennt werden.

Der Zugriff auf eine Klasse mit mehreren Typparametern erfolgt genauso wie oben am Beispiel der Klasse Stack gezeigt. Jedem typisierten Parameter wird ein bekannter Typ in runden Klammern übergeben:

7.3.4 Typparameter mit Constraints einschränken 

Mit der Definition

teilen wir dem Compiler mit, dass der spätere Datentyp zum Zeitpunkt der Klassenentwicklung noch völlig unbekannt ist. Es kann jeder x-beliebige Datentyp verwendet werden.

Wollen Sie innerhalb des Codes der generischen Klasse ein bestimmtes Klassenmitglied des verwendeten Typs aufrufen (beispielsweise eine Methode), ist eine explizite und damit auch unsichere Konvertierung notwendig. Eventuelle Fehler, weil der verwendete Datentyp dieses Klassenmitglied nicht veröffentlicht, würden erst zur Laufzeit der Anwendung erkannt.

Um die Problematik zu verstehen, sehen Sie sich das folgende Beispiel an. Die Klasse SortedElements(Of T) hat eine Methode Add, mit der ein Element der Auflistung hinzugefügt wird. Das neue Element soll nach typspezifischen Kriterien einsortiert werden. Dazu ist ein Vergleich mit den schon enthaltenen Elementen notwendig, zu dem die Methode CompareTo der Schnittstelle IComparable genutzt wird.

Implementiert der Datentyp IComparable nicht, wird eine Ausnahme ausgelöst. Um diesem Problem aus dem Weg zu gehen, lassen sich die generische Typparameter mit einer Einschränkung versehen, wie im Folgenden gezeigt wird:

Nun ist eine Bedingung festgelegt, an die sich der spätere konkrete Typ halten muss: Er muss die aufgeführte Schnittstelle IComparable unterstützen. Wird im Code ein Typ angegeben, der diese Schnittstelle nicht unterstützt, meldet der Compiler einen Fehler.

Eine Bedingung ist nicht auf Schnittstellen beschränkt; Sie können auch eine Klasse angeben und legen damit die Basisklasse des an den Typparameter T übergebenen konkreten Typs fest.

Mehrere Constraints definieren

Typparameter, die keine Einschränkungen aufweisen, werden als ungebundene Typparameter bezeichnet, mit Einschränkungen als gebundene Typparameter. Im Bedarfsfall dürfen Sie auch mehrere Einschränkungen angeben, die durch geschweifte Klammern hinter As angegeben werden.

Der Konstruktor-Constraint »New«

Nehmen wir an, Sie möchten in einer generischen Klasse ein Objekt vom Typ eines generischen Typparameters erzeugen. Das Problem dabei ist, dass der VB-Compiler nicht weiß, ob der Typparameter einen passenden Konstruktor hat. Die Folge wäre ein Kompilierfehler.

Um in dieser Situation eine Lösung zu bieten, können Sie als Einschränkung New angeben, wie im folgenden Codefragment gezeigt wird:

Sie treffen damit eine entscheidende Aussage: Der gewählte Argumenttyp muss einen öffentlichen, parameterlosen Konstruktor unterstützen. Einen parametrisierten Konstruktor vorzuschreiben ist nicht möglich.

7.3.5 Generische Methoden 

Generische Typen sind nicht nur im Zusammenhang mit Klassen möglich, sondern auch mit Methoden. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass die Typparameter einer Methode denen der Klasse entsprechen:

Im Gültigkeitsbereich der Klasse ist in diesem Fall der Typ T bekannt, K nur innerhalb der Methode.

Sie dürfen generische, methodenspezifische Typparameter auch angeben, wenn die Klasse selbst keine definiert:

Der Aufruf einer Methode mit generischen Typparametern ist sehr einfach. Sie instanziieren in gewohnter Weise zuerst die Klasse und rufen die Methode unter Angabe des gewünschten konkreten Datentyps auf:

Sie können sogar auf die Typangabe verzichten, denn auch in diesem Fall wird der VB-Compiler die richtige Schlussfolgerung ziehen:

Dieser Aufruf ist absolut gleichwertig.

Methoden und Constraints

Muss der generische Typparameter einer Methode bestimmten Bedingungen genügen, legen Sie einen Constraint fest. Die Syntax entspricht der der Constraints einer Klasse. Allerdings ist es nicht möglich, einen Constraint für einen generischen Typparameter einer Methode zu definieren, der bereits auf Klassenebene festgelegt ist.

7.3.6 Generics und Vererbung 

Generische Klassen können abgeleitet werden. Die Regeln sind ähnlich denen, die wir schon kennen. Aufgrund der besonderen Natur generischer Klassen sind dabei jedoch ein paar Besonderheiten zu beachten.

Ist die Basisklasse generisch, kann die abgeleitete Klasse den generischen Typparameter übernehmen und selbst generisch sein.

Soll die abgeleitete Klasse nicht generisch sein, muss der Typparameter in der Angabe der Basisklasse durch einen konkreten Datentyp ersetzt werden, wie nachfolgend gezeigt:

Sie können umgekehrt auch dann eine generische Subklasse entwickeln, wenn die Basisklasse nicht generisch ist.

7.3.7 Generische Klassen in der .NET-Klassenbibliothek 

Die Generics haben erst in der Version 2.0 ihren Einzug in das .NET Framework gefunden und die Klassenbibliothek beeinflusst. Beispielsweise enthält .NET 2.0 mit System.Collections.Generic einen neuen Namespace, der eine Reihe generischer Auflistungen beinhaltet. Dieser Namespace enthält unter anderem auch eine Klasse Stack(OF T), ähnlich der, die wir anfangs unserer Ausführungen zu den Generics beschrieben haben. Altbekannte Klassen des Frameworks 1.0/1.1 sind um generische Methoden ergänzt worden. Hier sei exemplarisch nur die Klasse Array erwähnt.

Viele andere Klassen und Schnittstellen des Namespace System.Collections finden ein generisches Pendant in System.Collections.Generic. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Klassen und Schnittstellen des neuen Namespace aufgeführt nebst den nichtgenerischen Implementierungen.