C#中的9个“黑魔法”

C#中的9个“黑魔法”与“骚操作”

我们知道C#是非常先进的语言，因为是它很有远见的“语法糖”。这些“语法糖”有时过于好用，导致有人觉得它是C#编译器写死的东西，没有道理可讲的——有点像“黑魔法”。

那么我们可以看看C#这些高级语言功能，是编译器写死的东西（“黑魔法”），还是可以扩展（骚操作）的“鸭子类型”。

我先列一个目录，大家可以对着这个目录试着下判断，说说是“黑魔法”（编译器写死），还是“鸭子类型”（可以自定义“骚操作”）：

1. LINQ操作，与IEnumerable<T>类型；
2. async/await，与Task/ValueTask类型；
3. 表达式树，与Expression<T>类型；
4. 插值字符串，与FormattableString类型；
5. yield return，与IEnumerable<T>类型；
6. foreach循环，与IEnumerable<T>类型；
7. using关键字，与IDisposable接口；
8. T?，与Nullable<T>类型；
9. 任意类型的Index/Range泛型操作。

1. LINQ操作，与IEnumerable<T>类型

不是“黑魔法”，是“鸭子类型”。

LINQ是C# 3.0发布的新功能，可以非常便利地操作数据。现在12年过去了，虽然有些功能有待增强，但相比其它语言还是方便许多。

如我上一篇博客提到，LINQ不一定要基于IEnumerable<T>，只需定定义一个类型，实现所需要的LINQ表达式即可，LINQ的select关键字，会调用.Select方法，可以用如下的“骚操作”，实现“移花接木”的效果：

void Main()
{
    var query =
        from i in new F()
        select 3;

    Console.WriteLine(string.Join(",", query)); // 0,1,2,3,4
}

class F
{
    public IEnumerable<int> Select<R>(Func<int, R> t)
    {
        for (var i = 0; i < 5; ++i)
        {
            yield return i;
        }
    }
}

2. async/await，与Task/ValueTask类型

不是“黑魔法”，是“鸭子类型”。

async/await发布于C# 5.0，可以非常便利地做异步编程，其本质是状态机。

async/await的本质是会寻找类型下一个名字叫GetAwaiter()的接口，该接口必须返回一个继承于INotifyCompletion或ICriticalNotifyCompletion的类，该类还需要实现GetResult()方法和IsComplete属性。

这一点在C#语言规范中有说明，调用await t本质会按如下顺序执行：

1. 先调用t.GetAwaiter()方法，取得等待器a；
2. 调用a.IsCompleted取得布尔类型b；
3. 如果b=true，则立即执行a.GetResult()，取得运行结果；
4. 如果b=false，则看情况：
   1. 如果a没实现ICriticalNotifyCompletion，则执行(a as INotifyCompletion).OnCompleted(action)
   2. 如果a实现了ICriticalNotifyCompletion，则执行(a as ICriticalNotifyCompletion).OnCompleted(action)
   3. 执行随后暂停，OnCompleted完成后重新回到状态机；

有兴趣的可以访问Github具体规范说明：https://github.com/dotnet/csharplang/blob/master/spec/expressions.md#runtime-evaluation-of-await-expressions

正常Task.Delay()是基于线程池计时器的，可以用如下“骚操作”，来实现一个单线程的TaskEx.Delay()：

static Action Tick = null;

void Main()
{
    Start();
    while (true)
    {
        if (Tick != null) Tick();
        Thread.Sleep(1);
    }
}

async void Start()
{
    Console.WriteLine("执行开始");
    for (int i = 1; i <= 4; ++i)
    {
        Console.WriteLine($"第{i}次，时间：{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss")} - 线程号：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
        await TaskEx.Delay(1000);
    }
    Console.WriteLine("执行完成");
}

class TaskEx
{
    public static MyDelay Delay(int ms) => new MyDelay(ms);
}

class MyDelay : INotifyCompletion
{
    private readonly double _start;
    private readonly int _ms;

    public MyDelay(int ms)
    {
        _start = Util.ElapsedTime.TotalMilliseconds;
        _ms = ms;
    }

    internal MyDelay GetAwaiter() => this;

    public void OnCompleted(Action continuation)
    {
        Tick += Check;

        void Check()
        {
            if (Util.ElapsedTime.TotalMilliseconds - _start > _ms)
            {
                continuation();
                Tick -= Check;
            }
        }
    }

    public void GetResult() {}

    public bool IsCompleted => false;
}

运行效果如下：

执行开始
第1次，时间：17:38:03 - 线程号：1
第2次，时间：17:38:04 - 线程号：1
第3次，时间：17:38:05 - 线程号：1
第4次，时间：17:38:06 - 线程号：1
执行完成

注意不需要非得使用TaskCompletionSource<T>才能创建定定义的async/await。

3. 表达式树，与Expression<T>类型

是“黑魔法”，没有“操作空间”，只有当类型是Expression<T>时，才会创建为表达式树。

表达式树是C# 3.0随着LINQ一起发布，是有远见的“黑魔法”。

如以下代码：

Expression<Func<int>> g3 = () => 3;

会被编译器翻译为：

Expression<Func<int>> g3 = Expression.Lambda<Func<int>>(
    Expression.Constant(3, typeof(int)),
    Array.Empty<ParameterExpression>());

4. 插值字符串，与FormattableString类型

是“黑魔法”，没有“操作空间”。

插值字符串发布于C# 6.0，在此之前许多语言都提供了类似的功能。

只有当类型是FormattableString，才会产生不一样的编译结果，如以下代码：

FormattableString x1 = $"Hello {42}";
string x2 = $"Hello {42}";

编译器生成结果如下：

FormattableString x1 = FormattableStringFactory.Create("Hello {0}", 42);
string x2 = string.Format("Hello {0}", 42);

注意其本质是调用了FormattableStringFactory.Create来创建一个类型。

5. yield return，与IEnumerable<T>类型；

是“黑魔法”，但有补充说明。

yield return除了用于IEnumerable<T>以外，还可以用于IEnumerable、IEnumerator<T>、IEnumerator。

因此，如果想用C#来模拟C++/Java的generator<T>的行为，会比较简单：

var seq = GetNumbers();
seq.MoveNext();
Console.WriteLine(seq.Current); // 0
seq.MoveNext();
Console.WriteLine(seq.Current); // 1
seq.MoveNext();
Console.WriteLine(seq.Current); // 2
seq.MoveNext();
Console.WriteLine(seq.Current); // 3
seq.MoveNext();
Console.WriteLine(seq.Current); // 4

IEnumerator<int> GetNumbers()
{
    for (var i = 0; i < 5; ++i)
        yield return i;
}

yield return——“迭代器”发布于C# 2.0。

6. foreach循环，与IEnumerable<T>类型

是“鸭子类型”，有“操作空间”。

foreach不一定非要配合使用IEnumerable<T>类型，只要对象存在GetEnumerator()方法即可：

void Main()
{
    foreach (var i in new F())
    {
        Console.Write(i + ", "); // 1, 2, 3, 4, 5,
    }
}

class F
{
    public IEnumerator<int> GetEnumerator()
    {
        for (var i = 0; i < 5; ++i)
        {
            yield return i;
        }
    }
}

另外，如果对象实现了GetAsyncEnumerator()，甚至也可以一样使用await foreach异步循环：

async Task Main()
{
    await foreach (var i in new F())
    {
        Console.Write(i + ", "); // 1, 2, 3, 4, 5,
    }
}

class F
{
    public async IAsyncEnumerator<int> GetAsyncEnumerator()
    {
        for (var i = 0; i < 5; ++i)
        {
            await Task.Delay(1);
            yield return i;
        }
    }
}

await foreach是C# 8.0随着异步流一起发布的，具体可见我之前写的《代码演示C#各版本新功能》。

7. using关键字，与IDisposable接口

是，也不是。

引用类型和正常的值类型用using关键字，必须基于IDisposable接口。

但ref struct和IAsyncDisposable就是另一个故事了，由于ref struct不允许随便移动，而引用类型——托管堆，会允许内存移动，所以ref struct不允许和引用类型产生任何关系，这个关系就包含继承接口——因为接口也是引用类型。

但释放资源的需求依然存在，怎么办，“鸭子类型”来了，可以手写一个Dispose()方法，不需要继承任何接口：

void S1Demo()
{
    using S1 s1 = new S1();
}

ref struct S1
{
    public void Dispose()
    {
        Console.WriteLine("正常释放");
    }
}

同样的道理，如果用IAsyncDisposable接口：

async Task S2Demo()
{
    await using S2 s2 = new S2();
}

struct S2 : IAsyncDisposable
{
    public async ValueTask DisposeAsync()
    {
        await Task.Delay(1);
        Console.WriteLine("Async释放");
    }
}

8. T?，与Nullable<T>类型

是“黑魔法”，只有Nullable<T>才能接受T?，Nullable<T>作为一个值类型，它还能直接接受null值（正常值类型不允许接受null值）。

示例代码如下：

int? t1 = null;
Nullable<int> t2 = null;
int t3 = null; // Error CS0037: Cannot convert null to 'int' because it is a non-nullable value type

生成代码如下（int?与Nullable<int>完全一样，跳过了编译失败的代码）：

IL_0000: nop
IL_0001: ldloca.s 0
IL_0003: initobj valuetype [System.Runtime]System.Nullable`1<int32>
IL_0009: ldloca.s 1
IL_000b: initobj valuetype [System.Runtime]System.Nullable`1<int32>
IL_0011: ret

9. 任意类型的Index/Range泛型操作

有“黑魔法”，也有“鸭子类型”——存在操作空间。

Index/Range发布于C# 8.0，可以像Python那样方便地操作索引位置、取出对应值。以前需要调用Substring等复杂操作的，现在非常简单。

string url = "https://www.super-cool.com/product/7705a33a-4d2c-455d-a42c-c95e6ac8ee99/summary";
string productId = url[35..url.LastIndexOf("/")];
Console.WriteLine(productId);

生成代码如下：

string url = "https://www.super-cool.com/product/7705a33a-4d2c-455d-a42c-c95e6ac8ee99/amd-r7-3800x";
int num = 35;
int length = url.LastIndexOf("/") - num;
string productId = url.Substring(num, length);
Console.WriteLine(productId); // 7705a33a-4d2c-455d-a42c-c95e6ac8ee99

可见，C#编译器忽略了Index/Range，直接翻译为调用Substring了。

但数组又不同：

var range = new[] { 1, 2, 3, 4, 5 }[1..3];
Console.WriteLine(string.Join(", ", range)); // 2, 3

生成代码如下：

int[] range = RuntimeHelpers.GetSubArray<int>(new int[5]
{
    1,
    2,
    3,
    4,
    5
}, new Range(1, 3));
Console.WriteLine(string.Join<int>(", ", range));

可见它确实创建了Range类型，然后调用了RuntimeHelpers.GetSubArray<int>，完全属于“黑魔法”。

但它同时也是“鸭子”类型，只要代码中实现了Length属性和Slice(int, int)方法，即可调用Index/Range：

var range2 = new F()[2..];
Console.WriteLine(range2); // 2 -> -2

class F
{
    public int Length { get; set; }
    public IEnumerable<int> Slice(int start, int end)
    {
        yield return start;
        yield return end;
    }
}

生成代码如下：

F f = new F();
int length2 = f.Length;
length = 2;
num = length2 - length;
string range2 = f.Slice(length, num);
Console.WriteLine(range2);

总结

如上所见，C#的“黑魔法”确实挺多，但“鸭子类型”也有很多，“骚操作”的“操作空间”很大。

据传C# 9.0将添加“鸭子类型”的元祖——Type Classes，到时候“操作空间”肯定比现在更大，非常期待！

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