C#泛型(MSIL)的内部是怎么实现的?
C 泛型在底层的 MSIL (Microsoft Intermediate Language) 层面，并不是像许多初学者想象的那样，为每一种类型都生成一套独立的 IL 代码。它的实现更像是一种“占位符”和“延迟实例化”的机制，核心在于 类型擦除 (Type Erasure) 和 JustInTime (JIT) 编译 的结合。
让我们深入剖析一下这个过程。
1. 编译时：占位符与元数据
当你定义一个泛型类，例如：
```csharp
public class MyGenericClass
{
public T Value { get; set; }
public void Display()
{
Console.WriteLine($"The value is: {Value}");
}
}
```
在 C 编译器看来，`MyGenericClass` 并不是一个可以直接执行的代码。它是一个 模板 (Template)，或者更准确地说，是一个 泛型类型定义 (Generic Type Definition)。
当编译器将这段 C 代码编译成 MSIL 时，它不会为 `MyGenericClass`、`MyGenericClass` 等分别生成一套完整的 IL 代码。取而代之的是，它生成一个 通用的 IL 定义，并且这个定义中包含一个 类型参数的占位符（通常用 `!` 或 `!!` 来表示，具体取决于它是类型参数还是方法参数）。
更重要的是，编译器会在元数据中记录下关于这个泛型类型的约束 (Constraints)（如果有的话）、类型参数的数量以及参数的占位符信息。这些元数据告诉运行时环境（CLR）这是一种泛型类型，以及如何实例化它。
例如，`MyGenericClass` 在 MSIL 中可能被表示为一个带有元数据标记的类型，指示它是一个泛型类型，并且有一个类型参数 `T`。
2. 运行时：类型擦除与具体化 (Specialization)
真正的“实例化”发生在运行时。当你第一次使用一个具体的泛型类型，比如 `new MyGenericClass()` 时，Common Language Runtime (CLR) 的 JIT (JustInTime) 编译器就开始工作了。
CLR 识别泛型类型： CLR 的类型加载器看到 `MyGenericClass` 这个请求，会根据元数据查找 `MyGenericClass` 的泛型类型定义。
类型擦除的本质： 在 JIT 编译之前，或者说在 IL 层面，并没有 `MyGenericClass` 和 `MyGenericClass` 的 IL 代码。`MyGenericClass` 的 IL 定义是 类型无关的 (TypeAgnostic)。它就像一个蓝图。
JIT 编译的“具体化”： 当 JIT 编译器需要实例化 `MyGenericClass` 时，它会取出 `MyGenericClass` 的 IL 定义，然后用 `int` 这个实际类型来 替换 (Substitute) IL 代码中的所有 `T` 占位符。
`public T Value { get; set; }` 变成 `public int Value { get; set; }`。
`Console.WriteLine($"The value is: {Value}");` 变成 `Console.WriteLine($"The value is: {Value}");` （虽然代码看起来一样，但 `Value` 这里的类型信息是 `int`）。
为值类型和引用类型生成不同代码（针对值类型）： 这是关键的一点。
对于引用类型（如 `string`）： JIT 编译器生成的 IL 代码会直接使用 `object` 的 IL 指令来处理 `T`。因为 `T` 作为一个引用类型，在 IL 层面可以被视为 `object`，传递和赋值都比较直接。Boxing/Unboxing 的开销在这种情况下几乎不存在。
对于值类型（如 `int`）： JIT 编译器会生成高度优化的、针对 `int` 类型量身定制的 IL 代码。它不会使用 `object` 来处理 `int`。这意味着，`MyGenericClass` 的 IL 代码在处理 `Value` 成员时，会直接使用 `int` 的存储和操作指令，例如 `ldloc.0` (load local variable 0) 然后是 `stfld` (store field) 等，这些都是直接在栈上操作，避免了值类型到 `object` 的装箱 (Boxing) 和拆箱 (Unboxing) 操作。这就是为什么泛型对值类型性能提升如此显著的原因。
缓存和重用： CLR 的 JIT 编译器非常智能。一旦它为某个泛型类型（例如 `MyGenericClass`）生成了具体的 IL 代码，它就会将这部分编译好的原生代码缓存起来。下次再遇到 `new MyGenericClass()` 时，它会直接从缓存中取出已编译的原生代码，而不需要重新进行 JIT 编译。
对不同类型参数的重复过程： 当你第一次使用 `MyGenericClass` 时，JIT 编译器会重复上述过程，将 `T` 替换为 `string`，并生成针对 `string` 的 IL 代码。同样，这部分代码也会被缓存。
总结来说，C 泛型的 MSIL 实现的核心是：
1. 编译时： 生成一个通用的、包含类型参数占位符的 IL 定义，并记录元数据。
2. 运行时 (JIT)：
当第一次遇到一个具体的泛型类型实例化时（如 `MyGenericClass`），JIT 编译器会根据泛型定义，用实际类型（`int`）替换占位符，生成 针对该具体类型的、高度优化的 IL 代码。
对于值类型，JIT 会生成直接操作该值类型的代码，避免装箱/拆箱。
对于引用类型，JIT 会生成可以处理引用的代码（通常可以看作是 `object` 级别的处理，但仍然是类型安全的）。
生成后的具体类型代码会被缓存，以供后续重用。
这种机制既实现了代码的重用（你只需要写一个泛型类定义），又能在运行时根据具体类型进行高效的性能优化（尤其对值类型）。你可以将它想象成一个智能的“代码生成器”，在需要的时候，根据模板和具体指示，现场生产出最适合该类型的执行代码。
MSIL 本身并没有“类型擦除”的概念，它只是包含了一套指令集和元数据。真正实现类型擦除和具体化的是 CLR 的 JIT 编译器，它根据 IL 代码和运行时提供的类型信息，动态地生成最终的机器码。 C 泛型允许你编写一个单一的类定义，而 CLR 则负责在运行时为这个定义创建出针对不同类型的、高效的、类型安全的版本。
让我们深入剖析一下这个过程。
1. 编译时：占位符与元数据
当你定义一个泛型类，例如：
```csharp
public class MyGenericClass
{
public T Value { get; set; }
public void Display()
{
Console.WriteLine($"The value is: {Value}");
}
}
```
在 C 编译器看来，`MyGenericClass
当编译器将这段 C 代码编译成 MSIL 时，它不会为 `MyGenericClass
更重要的是，编译器会在元数据中记录下关于这个泛型类型的约束 (Constraints)（如果有的话）、类型参数的数量以及参数的占位符信息。这些元数据告诉运行时环境（CLR）这是一种泛型类型，以及如何实例化它。
例如，`MyGenericClass
2. 运行时：类型擦除与具体化 (Specialization)
真正的“实例化”发生在运行时。当你第一次使用一个具体的泛型类型，比如 `new MyGenericClass
CLR 识别泛型类型： CLR 的类型加载器看到 `MyGenericClass
类型擦除的本质： 在 JIT 编译之前，或者说在 IL 层面，并没有 `MyGenericClass
JIT 编译的“具体化”： 当 JIT 编译器需要实例化 `MyGenericClass
`public T Value { get; set; }` 变成 `public int Value { get; set; }`。
`Console.WriteLine($"The value is: {Value}");` 变成 `Console.WriteLine($"The value is: {Value}");` （虽然代码看起来一样，但 `Value` 这里的类型信息是 `int`）。
为值类型和引用类型生成不同代码（针对值类型）： 这是关键的一点。
对于引用类型（如 `string`）： JIT 编译器生成的 IL 代码会直接使用 `object` 的 IL 指令来处理 `T`。因为 `T` 作为一个引用类型，在 IL 层面可以被视为 `object`，传递和赋值都比较直接。Boxing/Unboxing 的开销在这种情况下几乎不存在。
对于值类型（如 `int`）： JIT 编译器会生成高度优化的、针对 `int` 类型量身定制的 IL 代码。它不会使用 `object` 来处理 `int`。这意味着，`MyGenericClass
缓存和重用： CLR 的 JIT 编译器非常智能。一旦它为某个泛型类型（例如 `MyGenericClass
对不同类型参数的重复过程： 当你第一次使用 `MyGenericClass
总结来说，C 泛型的 MSIL 实现的核心是：
1. 编译时： 生成一个通用的、包含类型参数占位符的 IL 定义，并记录元数据。
2. 运行时 (JIT)：
当第一次遇到一个具体的泛型类型实例化时（如 `MyGenericClass
对于值类型，JIT 会生成直接操作该值类型的代码，避免装箱/拆箱。
对于引用类型，JIT 会生成可以处理引用的代码（通常可以看作是 `object` 级别的处理，但仍然是类型安全的）。
生成后的具体类型代码会被缓存，以供后续重用。
这种机制既实现了代码的重用（你只需要写一个泛型类定义），又能在运行时根据具体类型进行高效的性能优化（尤其对值类型）。你可以将它想象成一个智能的“代码生成器”，在需要的时候，根据模板和具体指示，现场生产出最适合该类型的执行代码。
MSIL 本身并没有“类型擦除”的概念，它只是包含了一套指令集和元数据。真正实现类型擦除和具体化的是 CLR 的 JIT 编译器，它根据 IL 代码和运行时提供的类型信息，动态地生成最终的机器码。 C 泛型允许你编写一个单一的类定义，而 CLR 则负责在运行时为这个定义创建出针对不同类型的、高效的、类型安全的版本。
网友意见
MSIL自身只需声明和使用泛型类型，而无需关心其实例化；.NET是在运行时由CLR来实例化泛型类型的。
跟前面的回答类似，这里用Dictionary<TKey, TVal>举例。
带有未绑定值的泛型参数的泛型类型称为“开放泛型类型”（open generic type）。这可以看作是原始状态、未填值的“模版”。
所有泛型参数都绑定了具体类型的值的泛型类型称为“闭合泛型类型”（closed generic type 或 closed constructed generic type）。
C# / .NET还有“泛型方法”这么一说，本文略过不提，但处理思路跟泛型类型类似。
对Dictionary<TKey, TVal>来说，
- Dictionary<TKey, TVal> 是其原始状态的open generic type；
- Dictionary<String, TVal> 是一个constructed type，但尚未填满所有泛型参数，所以虽然是constructed generic type但还不是closed generic type，而还是一种open状态；
- Dictionary<String, int> 是一个closed generic type。
CLR在运行时会为一个泛型类型的open generic type和所有constructed type（包括closed与尚未closed的）生成各自独立的元数据（例如MethodTable），用于描述该类型的特征；这些元数据也会有一些共享的部分（例如EEClass）。这样所有泛型类型的反射操作就都可以支持了。例如
注意这个实例化是惰性（lazy）的——只有CLR在运行过程中“遇到”的泛型类型才会对其实例化。
这部分跟C++的泛型类型实例化相似。但这里CLR只是为泛型实例化生成了元数据，还没涉及到代码的特化。
using System; class Program { static void Main() { var g = typeof(System.Collections.Generic.Dictionary<,>); var g1 = g.MakeGenericType(new []{ typeof(string), g.GenericTypeArguments[1] }); var g2 = g.MakeGenericType(new []{ g1.GenericTypeArguments[0], typeof(int) }); Console.WriteLine("{0}, IsGenericType: {1}, IsGenericTypeDefinition: {2}, ContainsGenericParameters: {3}", g, g.IsGenericType, g.IsGenericTypeDefinition, g.ContainsGenericParameters); Console.WriteLine("{0}, IsGenericType: {1}, IsGenericTypeDefinition: {2}, ContainsGenericParameters: {3}", g1, g1.IsGenericType, g1.IsGenericTypeDefinition, g1.ContainsGenericParameters); Console.WriteLine("{0}, IsGenericType: {1}, IsGenericTypeDefinition: {2}, ContainsGenericParameters: {3}", g2, g2.IsGenericType, g2.IsGenericTypeDefinition, g2.ContainsGenericParameters); } } 输出是：
System.Collections.Generic.Dictionary`2[TKey,TValue], IsGenericType: True, IsGenericTypeDefinition: True, ContainsGenericParameters: True System.Collections.Generic.Dictionary`2[System.String,TValue], IsGenericType: True, IsGenericTypeDefinition: False, ContainsGenericParameters: True System.Collections.Generic.Dictionary`2[System.String,System.Int32], IsGenericType: True, IsGenericTypeDefinition: False, ContainsGenericParameters: False 上面的例子里g是generic type definition，是最初始的open generic type；
g1是constructed generic type但尚未close；
g2是closed constructed generic type。
只有close generic type才可以创建对象实例或执行方法的代码。CLR在为泛型类型的方法/泛型方法JIT编译出native code时采用了代码共享的设计：
- 泛型参数绑定的值是值类型时，CLR的JIT编译器会为每一个这样的closed generic type / method生成完全特化的native code，不同实例化泛型类型之间不共享代码，这跟C++的模型一样；
- 泛型参数绑定的值是引用类型时，CLR的JIT编译器会为所有这样的closed generic type / method生成一份共享的native code，而类型特化的信息存在一个额外的表里面由每个实例化泛型类型自己带着。这样就共享了大部分内容，只带有少量数据不共享。这些不共享的数据主要用来支持诸如new T()、typeof(T)、(T)、is T、as T之类的运算。这比C++的模型稍微复杂一点，优点是共享了更多东西（代码），缺点是在需要对T特化的地方可能会稍微慢一点（但大部分对引用的操作其实都不需要对T特化，所以实际性能并不会受太大影响）。
当然，还得考虑到带有多个泛型参数的泛型类型的情况，但都可以套用上面两条规则去推导。
这么大的功能不可能没有论文，MSR有一篇论文专门讨论CLR的泛型设计与实现：
Design and Implementation of Generics for the .NET Common Language Runtime，请仔细阅读参考。
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