.NET 7/C#11中如何使用泛型INumber执行简单数学运算？

问题背景与初始代码 #

我希望在.NET 7/C# 11中实现一个绑定到INumber<TValue>的泛型直方图类，编写了以下代码：

public class Histogram<TValue> where TValue : INumber<TValue>
{
    public List<KeyValuePair<int, int>> CalcHistogram(List<TValue> Values, TValue CorrectValue, TValue BinSize)
    {
        // ...

        foreach (TValue value in Values)
        {
            // 版本1：手动计算分箱编号
            TValue bn = (value - CorrectValue) / BinSize;
            int binNumber = bn < 0 ? (int)(bn - 0.5) : (int)(bn + (TValue)0.5);

            // 版本2：使用Math.Round计算分箱编号
            int binNumber2 = (int)Math.Round((value - CorrectValue) / BinSize, MidpointRounding.AwayFromZero);

            // ....
        }
        return new List<KeyValuePair<int, int>>();
    }
}

编译错误列表 #

• 错误CS0019：bn < 0 无法将运算符 '<' 应用于 TValue 和 int 类型的操作数。原以为IComparable支持该操作，将0转换为TValue也无法解决（见错误3）。
• 错误CS0019：bn - 0.5 无法将运算符 '-' 应用于 TValue 和 double 类型的操作数，原以为可以直接对两个“数字”执行减法。
• 错误CS0030：(TValue)0.5 无法将类型 double 转换为 TValue，原以为double实现了INumber就可以直接转换。
• 错误CS0019：binNumber * BinSize 无法将运算符 '*' 应用于 int 和 TValue 类型的操作数。
• 错误CS1503：Math.Round(...) 参数1无法从 TValue 转换为 decimal，参数2无法从 MidpointRounding 转换为 int。

核心疑问：能否像使用float或double一样，对泛型INumber<TValue>执行运算、转换、比较等操作？

解决方案 #

可以像操作基础数值类型一样处理INumber<TValue>，但需要使用INumber<TValue>提供的泛型静态API，而非直接使用基础类型的语法。以下是针对每个错误的修复思路及完整修正代码：

修复错误1：泛型类型与零值的比较 #

不能直接将TValue与int类型的0比较，需使用TValue.Zero获取泛型类型的零值，INumber<TValue>继承了IComparable<TValue>，支持直接比较：

bool isNegative = bn < TValue.Zero;

修复错误2&3：泛型类型与常量的运算 #

不能直接将TValue与double常量0.5运算，需通过TValue.CreateChecked(0.5)或TValue.CreateTruncating(0.5)将0.5转换为TValue类型，同时用int.CreateChecked替代强制转换避免溢出风险：

var half = TValue.CreateChecked(0.5);
int binNumber = bn < TValue.Zero ? 
    int.CreateChecked(bn - half) : 
    int.CreateChecked(bn + half);

修复错误4：int与TValue的乘法运算 #

需先将int类型的binNumber转换为TValue类型，再执行乘法：

TValue binOffset = TValue.CreateChecked(binNumber) * BinSize;

修复错误5：泛型数值的舍入操作 #

Math.Round不支持TValue类型，可使用INumber<TValue>提供的泛型舍入方法TValue.Round，或先将TValue转换为double类型再调用Math.Round：

// 方案1：推荐使用泛型舍入方法
TValue roundedBn = TValue.Round(bn, MidpointRounding.AwayFromZero);
int binNumber2 = int.CreateChecked(roundedBn);

// 方案2：转换为double后舍入（适合浮点类型的TValue）
double bnDouble = double.CreateChecked(bn);
int binNumber2 = (int)Math.Round(bnDouble, MidpointRounding.AwayFromZero);

修正后的完整代码 #

public class Histogram<TValue> where TValue : INumber<TValue>
{
    public List<KeyValuePair<int, int>> CalcHistogram(List<TValue> values, TValue correctValue, TValue binSize)
    {
        var histogramCounts = new Dictionary<int, int>();
        var half = TValue.CreateChecked(0.5);

        foreach (TValue value in values)
        {
            TValue binRatio = (value - correctValue) / binSize;

            // 手动舍入实现
            int binNumber = binRatio < TValue.Zero ? 
                int.CreateChecked(binRatio - half) : 
                int.CreateChecked(binRatio + half);

            // 泛型舍入方法实现
            TValue roundedRatio = TValue.Round(binRatio, MidpointRounding.AwayFromZero);
            int binNumber2 = int.CreateChecked(roundedRatio);

            // 更新直方图计数（以binNumber为例）
            if (histogramCounts.ContainsKey(binNumber))
                histogramCounts[binNumber]++;
            else
                histogramCounts[binNumber] = 1;
        }

        return histogramCounts.OrderBy(kvp => kvp.Key).ToList();
    }
}

使用INumber的关键要点 #

• 用TValue.Zero、TValue.One等静态属性替代基础类型的常量值
• 用TValue.CreateChecked/TValue.CreateTruncating实现安全的类型转换，避免强制转换的风险
• 优先使用TValue的静态方法（如TValue.Round、TValue.Add）替代Math类的非泛型方法
• 所有运算的操作数必须为相同的TValue类型，需先将基础类型转换为TValue再参与运算

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Qrt