C# 7.0 新特性4： 返回引用

本文参考Roslyn项目中的Issue:#118。

　　1. C# 7.0 新特性1： 基于Tuple的“多”返回值方法

　　2. C# 7.0 新特性2： 本地方法

　　3. C# 7.0 新特性3： 模式匹配

　　4. C# 7.0 新特性4： 返回引用

C#早在最初的发行版C# 1.0中（2002年1月），就借鉴并延续了C/C++中指针参数，原生允许将值类型数据的引用（指针）通过标记ref参数的形式，传递到方法体中。

但对于方法内的值类型引用，该如何以引用的方式返回，却一直以来没有一个非常完美的解决方案，尽管这种用例非常少见。

提一个简单的问题，我们需要获取三个int中的最大值的引用。

我们照惯例，回顾下C#7.0之前的做法：

C/C++指针

我们回归到C/C++中，这个问题没有什么好争议的，实现起来会很理所应当的是这样的：

 int* Max(int* first, int* second, int* third) {
   int* max = *first > *second ? first : second;
   return *max > *third ? max : third;
 }
 ....
 int a = , b = , c = ;
 int* max = Max(&a, &b, &c);
 *max = ; // c == 4;

下面我们思考一下C#中怎么合理的翻译这段代码。

/unsafe 指令

可能有的童鞋看到C/C++指针，已经想到了.NET编译指令中，开启/unsafe指令，它允许C#直接访问内存。的确，只要在项目中勾选“Allow unsafe code”。

就可以通过下面这种几乎和C/C++中一致方式来做到：

 unsafe static int* Max(int* first, int* second, int* third)
 {
     int* max = *first > *second ? first : second;
     return *max > *third ? max : third;
 }
 ....
 int a = , b = , c = ;
 unsafe
 {
     int* max = Max(&a, &b, &c);
     *max = ; // c == 4
 }

但unsafe并不是C# 推荐使用的，它绕过了CLR的内存安全机制，指针的不安全滥用会被允许，容易使你的指针指到各种非预期的目标，比如允许访问已经返回(被释放)的调用栈(call stack)，我们来做一个实验。

 unsafe static int* GetRef()
 {
     //Some codes
     int i = ;
     return &i;
 }
 unsafe static void Main(string[] args)
 {
     int* num = GetRef();
     Console.WriteLine(*num); // 4
     //Some codes
     Console.WriteLine(*num); // 不可预期
 }

这是非常典型的一种错误，当GetRef()的调用返回后，它的调用堆栈被释放，我们尝试获取它本地的引用(num)时，如果GetRef遗留在内存的栈结构侥幸没有被重新分配，我们依然可以获取到。

但正常情况下，我们的逻辑一旦需要做一些其它处理（包括第一次Console.WriteLine()的调用本身），num所在的这块不安全内存自然会被覆盖。

虽然这是一段本身错误的代码，但站在语言层面，并没有做任何完全可以做的规避。（C/C++中同样存在这个问题）

返回模型对象

当然，其实C#6.0及以前，我们还有一种比较常见的方案：将有必要返回引用的值类型封装在一个寄宿模型类中。

由于对象以引用heap的地址传递，引用目标不在调用栈(call stack)上，不会由于函数返回而被释放。

 static HostModel Max(HostModel first, HostModel second, HostModel third)
 {
     HostModel max = first.Value > second.Value ? first : second;
     return max.Value > third.Value ? max : third;
 }

这种类似做法被广泛应用在Model传递，DTO等场景中，无可厚非。。

但是如果在性能要求敏感，且数据和逻辑结构简单的场景下，为一个简单数据凭空多了一组装箱和拆箱动作，以对象形式在heap中申请本没有必要的内存，是一种非常浪费和奢侈的做法。

引用返回

C#7.0 中引入了引用返回(ref return)的概念，允许C#方法中返回一个值类型的引用。

Issue:#118。中给出了下面的例子：

 static ref int Max(ref int first, ref int second, ref int third)
 {
     ref int max = first > second ? ref first : ref second;
     return max > third ? ref max : ref third;
 }
 …
 int a = , b = , c = ;
 Max(ref a, ref b, ref c) = ;
 Debug.Assert(a == ); // true
 Debug.Assert(b == ); // true
 Debug.Assert(c == ); // true

这样，我们通过C#7.0，能直接将调用栈（call stack）上的引用返回。

并且，对于体积较大的结构体（struct），返回引用比传递结构值要快很多，因为结构体的赋值会对整个结构进行拷贝。

另外需要注意的是，ref return的引用，在语言层面附加规则，不允许返回方法内的局部变量的引用，换句话说，被返回的堆栈地址，必须低于当前方法的入口地址。

总结

我们从另一个侧面看这个feature，其实是对性能要求极致情况下出现的考虑，对于目前大多数的.NET应用中，其实用例非常局限，也并非以往.NET侧重的方面。。

但是Roslyn项目在C#7.0设计初期就加入这个feature，是否隐含了更长远的考量？

我们再看看微软最近的新闻就不难理解了，本月初（6月1日）微软在北京举办的开发者峰会上，Satya Nadella宣布建立物联网实验室，峰会上还发布了微软的IoT套件。

近期微软还发布了Windows的IoT版本（Windows IoT）,刚刚发布的.NET Core也允许跑在装有Windows IoT 的 Raspberry PI（树莓派）等设备上。

在这些对惜内存如金的端设备上，C#想要有一席用武之地，不可避免的需要一改以往对内存的任性的一些设计，也就可以理解了。这或许是C#7.0加入ref return的一个重要的原因。

本文链接：http://www.cnblogs.com/ylvict/p/5633480.html (转载请注明)

目前(2016年7月)C#7.0还未正式发布，大家如果想体验部分特性，可以去下载VS15预览版，最终发布的语法可能和本文中提及的有所不同，最新动态请大家关注Roslyn项目。