C# 10 完整特性介紹

前言

開頭防杠：.NET 的基礎(chǔ)庫、語言、運(yùn)行時(shí)團(tuán)隊(duì)從來都是相互獨(dú)立各自更新的，.NET 6 在基礎(chǔ)庫、運(yùn)行時(shí)上同樣做了非常多的改進(jìn)，不過本文僅僅介紹語言部分。

距離上次介紹 C# 10 的特性已經(jīng)有一段時(shí)間了，伴隨著 .NET 6 的開發(fā)進(jìn)入尾聲，C# 10 最終的特性也終于敲定了。總的來說 C# 10 的更新內(nèi)容很多，并且對(duì)類型系統(tǒng)做了不小的改動(dòng)，解決了非常多現(xiàn)有的痛點(diǎn)。

從 C# 10 可以看到一個(gè)消息，那就是 C# 語言團(tuán)隊(duì)開始主要著重于改進(jìn)類型系統(tǒng)和功能性方面的東西，而不是像以前那樣熱衷于各種語法糖了。C# 10 只是這個(gè)旅程的開頭，后面的 C# 11 、12 將會(huì)有更多關(guān)于類型系統(tǒng)的改進(jìn)，使其擁有強(qiáng)如 Haskell 、Rust 的表達(dá)能力，不僅能提供從頭到尾的跨程序集的靜態(tài)類型支持，還能做到像動(dòng)態(tài)類型語言那樣的靈活。邏輯代碼是類型的證明，只有類型系統(tǒng)強(qiáng)大了，代碼編寫起來才能更順暢、更不容易出錯(cuò)。

record struct

首先自然是 record struct，解決了 record 只能給 class 而不能給 struct 用的問題：

record struct Point(int X, int Y);

用 record 定義 struct 的好處其實(shí)有很多，例如你無需重寫 GetHashCode 和 Equals 之類的方法了。

sealed record ToString 方法

之前 record 的 ToString 是不能修飾為 sealed 的，因此如果你繼承了一個(gè) record，相應(yīng)的 ToString 行為也會(huì)被改變，因此這是個(gè)虛方法。

但是現(xiàn)在你可以把 record 里的 ToString 方法標(biāo)記成 sealed，這樣你的 ToString 方法就不會(huì)被重寫了。

struct 無參構(gòu)造函數(shù)

一直以來 struct 不支持無參構(gòu)造函數(shù)，現(xiàn)在支持了：

struct Foo
{
    public int X;
    public Foo() { X = 1; }
}

但是使用的時(shí)候就要注意了，因?yàn)闊o參構(gòu)造函數(shù)的存在使得 new struct() 和 default(struct) 的語義不一樣了，例如 new Foo().X == default(Foo).X 在上面這個(gè)例子中將會(huì)得出 false。

匿名對(duì)象的 with

可以用 with 來根據(jù)已有的匿名對(duì)象創(chuàng)建新的匿名對(duì)象了：

var x = new { A = 1, B = 2 };
var y = x with { A = 3 };

這里 y.A 將會(huì)是 3 。

全局的 using

利用全局 using 可以給整個(gè)項(xiàng)目啟用 usings，不再需要每個(gè)文件都寫一份。比如你可以創(chuàng)建一個(gè) Import.cs，然后里面寫：

using System;
using i32 = System.Int32;

然后你整個(gè)項(xiàng)目都無需再 using System，并且可以用 i32 了。

文件范圍的 namespace

這個(gè)比較簡單，以前寫 namespace 還得帶一層大括號(hào)，以后如果一個(gè)文件里只有一個(gè) namespace 的話，那直接在最上面這樣寫就行了：

namespace MyNamespace;

常量字符串插值

你可以給 const string 使用字符串插值了，非常方便：

const string x = "hello";
const string y = $"{x}, world!";

lambda 改進(jìn)

這個(gè)改進(jìn)可以說是非常大，我分多點(diǎn)介紹。

1. 支持 attributes

lambda 可以帶 attribute 了：

f = [Foo] (x) => x; // 給 lambda 設(shè)置
f = [return: Foo] (x) => x; // 給 lambda 返回值設(shè)置
f = ([Foo] x) => x; // 給 lambda 參數(shù)設(shè)置

2. 支持指定返回值類型

此前 C# 的 lambda 返回值類型靠推導(dǎo)，C# 10 開始允許在參數(shù)列表最前面顯示指定 lambda 類型了：

f = int () => 4;

3. 支持 ref 、in 、out 等修飾

f = ref int (ref int x) => ref x; // 返回一個(gè)參數(shù)的引用

4. 頭等函數(shù)

函數(shù)可以隱式轉(zhuǎn)換到 delegate，于是函數(shù)上升至頭等函數(shù)：

void Foo() { Console.WriteLine("hello"); }
var x = Foo;
x(); // hello

5. 自然委托類型

lambda 現(xiàn)在會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建自然委托類型，于是不再需要寫出類型了。

var f = () => 1; // Func<int>
var g = string (int x, string y) => $"{y}{x}"; // Func<int, string, string>
var h = "test".GetHashCode; // Func<int>

CallerArgumentExpression

現(xiàn)在，CallerArgumentExpression 這個(gè) attribute 終于有用了。借助這個(gè) attribute，編譯器會(huì)自動(dòng)填充調(diào)用參數(shù)的表達(dá)式字符串，例如：

void Foo(int value, [CallerArgumentExpression("value")] string? expression = null)
{
    Console.WriteLine(expression + " = " + value);
}

當(dāng)你調(diào)用 Foo(4 + 5) 時(shí)，會(huì)輸出 4 + 5 = 9。這對(duì)測(cè)試框架極其有用，因?yàn)槟憧梢暂敵?assert 的原表達(dá)式了：

static void Assert(bool value, [CallerArgumentExpression("value")] string? expr = null)
{
    if (!value) throw new AssertFailureException(expr);
}

tuple 支持混合定義和使用

比如：

int y = 0;
(var x, y, var z) = (1, 2, 3);

于是 y 就變成 2 了，同時(shí)還創(chuàng)建了兩個(gè)變量 x 和 z，分別是 1 和 3 。

接口支持抽象靜態(tài)方法

這個(gè)特性將會(huì)在 .NET 6 作為 preview 特性放出，意味著默認(rèn)是不啟用的，需要設(shè)置 <LangVersion>preview</LangVersion> 和 <EnablePreviewFeatures>true</EnablePreviewFeatures>，然后引入一個(gè)官方的 nuget 包 System.Runtime.Experimental 來啟用。

然后接口就可以聲明抽象靜態(tài)成員了，.NET 的類型系統(tǒng)正式具備虛靜態(tài)方法分發(fā)能力。

例如，你想定義一個(gè)可加而且有零的接口 IMonoid<T>：

interface IMonoid<T> where T : IMonoid<T>
{
    abstract static T Zero { get; }
    abstract static T operator+(T l, T r);
}

然后可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，例如這里的 MyInt：

public class MyInt : IMonoid<MyInt>
{
    public MyInt(int val) { Value = val; }

    public static MyInt Zero { get; } = new MyInt(0);
    public static MyInt operator+(MyInt l, MyInt r) => new MyInt(l.Value + r.Value);

    public int Value { get; }
}

然后就能寫出一個(gè)方法對(duì) IMoniod<T> 進(jìn)行求和了，這里為了方便寫成擴(kuò)展方法：

public static class IMonoidExtensions
{
    public static T Sum<T>(this IEnumerable<T> t) where T : IMonoid<T>
    {
        var result = T.Zero;
        foreach (var i in t) result += i;
        return result;
    }
}

最后調(diào)用：

List<MyInt> list = new() { new(1), new(2), new(3) };
Console.WriteLine(list.Sum().Value); // 6

你可能會(huì)問為什么要引入一個(gè) System.Runtime.Experimental，因?yàn)檫@個(gè)包里面包含了 .NET 基礎(chǔ)類型的改進(jìn)：給所有的基礎(chǔ)類型都實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的接口，比如給數(shù)值類型都實(shí)現(xiàn)了 INumber<T>，給可以加的東西都實(shí)現(xiàn)了 IAdditionOperators<TLeft, TRight, TResult> 等等，用起來將會(huì)非常方便，比如你想寫一個(gè)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)用來把能相加的東西加起來：

T Add<T>(T left, T right) where T : IAdditionOperators<T, T, T>
{
    return left + right;
}

就搞定了。

接口的靜態(tài)抽象方法支持和未來 C# 將會(huì)加入的 shape 特性是相輔相成的，屆時(shí) C# 將利用 interface 和 shape 支持 Haskell 的 class、Rust 的 trait 那樣的 type classes，將類型系統(tǒng)上升到一個(gè)新的層次。

泛型 attribute

是的你沒有看錯(cuò)，C# 的 attributes 支持泛型了：

class TestAttribute<T> : Attribute
{
    public T Data { get; }
    public TestAttribute(T data) { Data = data; }
}

然后你就能這么用了：

[Test<int>(3)]
[Test<float>(4.5f)]
[Test<string>("hello")]

允許在方法上指定 AsyncMethodBuilder

C# 10 將允許方法上使用 [AsyncMethodBuilder(...)] 來使用你自己實(shí)現(xiàn)的 async method builder，代替自帶的 Task 或者 ValueTask 的異步方法構(gòu)造器。這也有助于你自己實(shí)現(xiàn)零開銷的異步方法。

line 指示器支持行列和范圍

以前 #line 只能用來指定一個(gè)文件中的某一行，現(xiàn)在可以指定行列和范圍了，這對(duì)寫編譯器和代碼生成器的人非常有用：

#line (startLine, startChar) - (endLine, endChar) charOffset "fileName"

// 比如 #line (1, 1) - (2, 2) 3 "test.cs"

嵌套屬性模式匹配改進(jìn)

以前在匹配嵌套屬性的時(shí)候需要這么寫：

if (a is { X: { Y: { Z: 4 } } }) { ... }

現(xiàn)在只需要簡單的：

if (a is { X.Y.Z: 4 }) { ... }

就可以了。

改進(jìn)的字符串插值

以前 C# 的字符串插值是很粗暴的 string.Format，并且對(duì)于值類型參數(shù)來說會(huì)直接裝箱，對(duì)于多個(gè)參數(shù)而言還會(huì)因此而分配一個(gè)數(shù)組（比如 string.Format("{} {}", a, b) 其實(shí)是 string.Format("{} {}", new object [] { (object)a, (object)b })），這很影響性能。現(xiàn)在字符串插值被改進(jìn)了：

var x = 1;
Console.WriteLine($"hello, {x}");

會(huì)被編譯成：

int x = 1;
DefaultInterpolatedStringHandler defaultInterpolatedStringHandler = new DefaultInterpolatedStringHandler(7, 1);
defaultInterpolatedStringHandler.AppendLiteral("hello, ");
defaultInterpolatedStringHandler.AppendFormatted(x);
Console.WriteLine(defaultInterpolatedStringHandler.ToStringAndClear());

上面這個(gè) DefaultInterpolatedStringHandler 也可以借助 InterpolatedStringHandler 這個(gè) attribute 替換成你自己實(shí)現(xiàn)的插值處理器，來決定要怎么進(jìn)行插值。借助這些可以實(shí)現(xiàn)接近零開銷的字符串插值。

Source Generator v2

代碼生成器在 C# 10 將會(huì)迎來 v2 版本，這個(gè)版本包含很多改進(jìn)，包括強(qiáng)類型的代碼構(gòu)建器，以及增量編譯的支持等等。