C# 10 完整特性介绍

前言

开头防杠：.NET 的基础库、语言、运行时团队从来都是相互独立各自更新的，.NET 6 在基础库、运行时上同样做了非常多的改进，不过本文仅仅介绍语言部分。

距离上次介绍 C# 10 的特性已经有一段时间了，伴随着 .NET 6 的开发进入尾声，C# 10 最终的特性也终于敲定了。总的来说 C# 10 的更新内容很多，并且对类型系统做了不小的改动，解决了非常多现有的痛点。

从 C# 10 可以看到一个消息，那就是 C# 语言团队开始主要着重于改进类型系统和功能性方面的东西，而不是像以前那样热衷于各种语法糖了。C# 10 只是这个旅程的开头，后面的 C# 11 、12 将会有更多关于类型系统的改进，使其拥有强如 Haskell 、Rust 的表达能力，不仅能提供从头到尾的跨程序集的静态类型支持，还能做到像动态类型语言那样的灵活。逻辑代码是类型的证明，只有类型系统强大了，代码编写起来才能更顺畅、更不容易出错。

record struct

首先自然是 record struct，解决了 record 只能给 class 而不能给 struct 用的问题：

record struct Point(int X, int Y);

用 record 定义 struct 的好处其实有很多，例如你无需重写 GetHashCode 和 Equals 之类的方法了。

sealed record ToString 方法

之前 record 的 ToString 是不能修饰为 sealed 的，因此如果你继承了一个 record，相应的 ToString 行为也会被改变，因此这是个虚方法。

但是现在你可以把 record 里的 ToString 方法标记成 sealed，这样你的 ToString 方法就不会被重写了。

struct 无参构造函数

一直以来 struct 不支持无参构造函数，现在支持了：

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

但是使用的时候就要注意了，因为无参构造函数的存在使得 new struct() 和 default(struct) 的语义不一样了，例如 new Foo().X == default(Foo).X 在上面这个例子中将会得出 false。

匿名对象的 with

可以用 with 来根据已有的匿名对象创建新的匿名对象了：

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

这里 y.A 将会是 3 。

全局的 using

利用全局 using 可以给整个项目启用 usings，不再需要每个文件都写一份。比如你可以创建一个 Import.cs，然后里面写：

using System;
using i32 = System.Int32;

然后你整个项目都无需再 using System，并且可以用 i32 了。

文件范围的 namespace

这个比较简单，以前写 namespace 还得带一层大括号，以后如果一个文件里只有一个 namespace 的话，那直接在最上面这样写就行了：

namespace MyNamespace;

常量字符串插值

你可以给 const string 使用字符串插值了，非常方便：

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

lambda 改进

这个改进可以说是非常大，我分多点介绍。

1. 支持 attributes

lambda 可以带 attribute 了：

f = [Foo] (x) => x; // 给 lambda 设置
f = [return: Foo] (x) => x; // 给 lambda 返回值设置
f = ([Foo] x) => x; // 给 lambda 参数设置

2. 支持指定返回值类型

此前 C# 的 lambda 返回值类型靠推导，C# 10 开始允许在参数列表最前面显示指定 lambda 类型了：

f = int () => 4;

3. 支持 ref 、in 、out 等修饰

f = ref int (ref int x) => ref x; // 返回一个参数的引用

4. 头等函数

函数可以隐式转换到 delegate，于是函数上升至头等函数：

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

5. 自然委托类型

lambda 现在会自动创建自然委托类型，于是不再需要写出类型了。

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

现在，CallerArgumentExpression 这个 attribute 终于有用了。借助这个 attribute，编译器会自动填充调用参数的表达式字符串，例如：

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

当你调用 Foo(4 + 5) 时，会输出 4 + 5 = 9。这对测试框架极其有用，因为你可以输出 assert 的原表达式了：

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

tuple 支持混合定义和使用

比如：

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

于是 y 就变成 2 了，同时还创建了两个变量 x 和 z，分别是 1 和 3 。

接口支持抽象静态方法

这个特性将会在 .NET 6 作为 preview 特性放出，意味着默认是不启用的，需要设置 <LangVersion>preview</LangVersion> 和 <EnablePreviewFeatures>true</EnablePreviewFeatures>，然后引入一个官方的 nuget 包 System.Runtime.Experimental 来启用。

然后接口就可以声明抽象静态成员了，.NET 的类型系统正式具备虚静态方法分发能力。

例如，你想定义一个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);
}

然后可以对其进行实现，例如这里的 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; }
}

然后就能写出一个方法对 IMoniod<T> 进行求和了，这里为了方便写成扩展方法：

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;
    }
}

最后调用：

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

你可能会问为什么要引入一个 System.Runtime.Experimental，因为这个包里面包含了 .NET 基础类型的改进：给所有的基础类型都实现了相应的接口，比如给数值类型都实现了 INumber<T>，给可以加的东西都实现了 IAdditionOperators<TLeft, TRight, TResult> 等等，用起来将会非常方便，比如你想写一个函数，这个函数用来把能相加的东西加起来：

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

就搞定了。

接口的静态抽象方法支持和未来 C# 将会加入的 shape 特性是相辅相成的，届时 C# 将利用 interface 和 shape 支持 Haskell 的 class、Rust 的 trait 那样的 type classes，将类型系统上升到一个新的层次。

泛型 attribute

是的你没有看错，C# 的 attributes 支持泛型了：

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

然后你就能这么用了：

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

允许在方法上指定 AsyncMethodBuilder

C# 10 将允许方法上使用 [AsyncMethodBuilder(...)] 来使用你自己实现的 async method builder，代替自带的 Task 或者 ValueTask 的异步方法构造器。这也有助于你自己实现零开销的异步方法。

line 指示器支持行列和范围

以前 #line 只能用来指定一个文件中的某一行，现在可以指定行列和范围了，这对写编译器和代码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"

嵌套属性模式匹配改进

以前在匹配嵌套属性的时候需要这么写：

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

现在只需要简单的：

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

就可以了。

改进的字符串插值

以前 C# 的字符串插值是很粗暴的 string.Format，并且对于值类型参数来说会直接装箱，对于多个参数而言还会因此而分配一个数组（比如 string.Format("{} {}", a, b) 其实是 string.Format("{} {}", new object [] { (object)a, (object)b })），这很影响性能。现在字符串插值被改进了：

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

会被编译成：

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

上面这个 DefaultInterpolatedStringHandler 也可以借助 InterpolatedStringHandler 这个 attribute 替换成你自己实现的插值处理器，来决定要怎么进行插值。借助这些可以实现接近零开销的字符串插值。

Source Generator v2

代码生成器在 C# 10 将会迎来 v2 版本，这个版本包含很多改进，包括强类型的代码构建器，以及增量编译的支持等等。