Replica Designer Watches: 新版 C# 高效率编程指南

2020-09-24

新版 C# 高效率编程指南

教你使用新版 C# 编写高效率、高质量的代码

前言

C# 从 7 版本开始一直到如今的 9 版本，加入了非常多的特性，其中不乏改善性能、增加程序健壮性和代码简洁性、可读性的改进，这里我整理一些使用新版 C# 的时候个人推荐的写法，可能不适用于所有的人，但是还是希望对你们有所帮助。

注意：本指南适用于 .NET 5 或以上版本。

使用 ref struct 做到 0 GC

C# 7 开始引入了一种叫做 ref struct 的结构，这种结构本质是 struct ，结构存储在栈内存。但是与 struct 不同的是，该结构不允许实现任何接口，并由编译器保证该结构永远不会被装箱，因此不会给 GC 带来任何的压力。相对的，使用中就会有不能逃逸出栈的强制限制。

Span<T> 就是利用 ref struct 的产物，成功的封装出了安全且高性能的内存访问操作，且可在大多数情况下代替指针而不损失任何的性能。

ref struct MyStruct{ public int Value { get; set; }} class RefStructGuide{ static void Test() {  MyStruct x = new MyStruct();  x.Value = 100;  Foo(x); // ok  Bar(x); // error, x cannot be boxed } static void Foo(MyStruct x) { }  static void Bar(object x) { }}

使用 stackalloc 在栈上分配连续内存

对于部分性能敏感却需要使用少量的连续内存的情况，不必使用数组，而可以通过 stackalloc 直接在栈上分配内存，并使用 Span<T> 来安全的访问，同样的，这么做可以做到 0 GC 压力。

stackalloc 允许任何的值类型结构，但是要注意，Span<T> 目前不支持 ref struct 作为泛型参数，因此在使用 ref struct 时需要直接使用指针。

ref struct MyStruct{ public int Value { get; set; }}class AllocGuide{ static unsafe void RefStructAlloc() {  MyStruct* x = stackalloc MyStruct[10];  for (int i = 0; i < 10; i++)  {   *(x + i) = new MyStruct { Value = i };  } } static void StructAlloc() {  Span<int> x = stackalloc int[10];  for (int i = 0; i < x.Length; i++)  {   x[i] = i;  } }}

使用 Span 操作连续内存

C# 7 开始引入了 Span<T>，它封装了一种安全且高性能的内存访问操作方法，可用于在大多数情况下代替指针操作。

static void SpanTest(){ Span<int> x = stackalloc int[10]; for (int i = 0; i < x.Length; i++) {  x[i] = i; } ReadOnlySpan<char> str = "12345".AsSpan(); for (int i = 0; i < str.Length; i++) {  Console.WriteLine(str[i]); }}

性能敏感时对于频繁调用的函数使用 SkipLocalsInit

C# 为了确保代码的安全会将所有的局部变量在声明时就进行初始化，无论是否必要。一般情况下这对性能并没有太大影响，但是如果你的函数在操作很多栈上分配的内存，并且该函数还是被频繁调用的，那么这一消耗的副作用将会被放大变成不可忽略的损失。

因此你可以使用 SkipLocalsInit 这一特性禁用自动初始化局部变量的行为。

[SkipLocalsInit]unsafe static void Main(){ Guid g; Console.WriteLine(*&g);}

上述代码将输出不可预期的结果，因为 g 并没有被初始化为 0。另外，访问未初始化的变量需要在 unsafe 上下文中使用指针进行访问。

使用函数指针代替 Marshal 进行互操作

C# 9 带来了函数指针功能，该特性支持 managed 和 unmanaged 的函数，在进行 native interop 时，使用函数指针将能显著改善性能。

例如，你有如下 C++ 代码：

#define UNICODE#define WIN32#include <cstring>extern "C" __declspec(dllexport) char* __cdecl InvokeFun(char* (*foo)(int)) { return foo(5);}

并且你编写了如下 C# 代码进行互操作：

[DllImport("./Test.dll")]static extern string InvokeFun(delegate* unmanaged[Cdecl]<int, IntPtr> fun);[UnmanagedCallersOnly(CallConvs = new[] { typeof(CallConvCdecl) })]public static IntPtr Foo(int x){ var str = Enumerable.Repeat("x", x).Aggregate((a, b) => $"{a}{b}"); return Marshal.StringToHGlobalAnsi(str);}static void Main(string[] args){ var callback = (delegate* unmanaged[Cdecl]<int, nint>)(delegate*<int, nint>)&Foo; Console.WriteLine(InvokeFun(callback));}

上述代码中，首先 C# 将自己的 Foo 方法作为函数指针传给了 C++ 的 InvokeFun 函数，然后 C++ 用参数 5 调用该函数并返回其返回值到 C# 的调用方。

注意到上述代码还用了 UnmanagedCallersOnly 这一特性，这样可以告诉编译器该方法只会从 unmanaged 的代码被调用，因此编译器可以做一些额外的优化。

使用函数指针产生的 IL 指令非常高效：

ldftn native int Test.Program::Foo(int32)stloc.0ldloc.0call string Test.Program::InvokeFun(method native int *(int32))

除了 unmanaged 的情况外，managed 函数也是可以使用函数指针的：

static void Foo(int v) { }unsafe static void Main(string[] args){ delegate* managed<int, void> fun = &Foo; fun(4);}

产生的代码相对于原本的 Delegate 来说更加高效：

ldftn void Test.Program::Foo(int32)stloc.0ldc.i4.4ldloc.0calli void(int32)

使用模式匹配

有了if-else、as和强制类型转换，为什么要使用模式匹配呢?有三方面原因：性能、鲁棒性和可读性。

为什么说性能也是一个原因呢?因为 C# 编译器会根据你的模式编译出最优的匹配路径。

考虑一下以下代码（代码 1）：

int Match(int v){ if (v > 3) {  return 5; } if (v < 3) {  if (v > 1)  {   return 6;  }  if (v > -5)  {   return 7;  }  else  {   return 8;  } } return 9;}

如果改用模式匹配，配合 switch 表达式写法则变成（代码 2）：

int Match(int v){ return v switch {  > 3 => 5,  < 3 and > 1 => 6,  < 3 and > -5 => 7,  < 3 => 8,  _ => 9 };}

以上代码会被编译器编译为：

int Match(int v){ if (v > 1) {  if (v <= 3)  {   if (v < 3)   {    return 6;   }   return 9;  }  return 5; } if (v > -5) {  return 7; } return 8;}

我们计算一下平均比较次数：

代码	5	6	7	8	9	总数	平均
代码 1	1	3	4	4	2	14	2.8
代码 2	2	3	2	2	3	12	2.4

可以看到使用模式匹配时，编译器选择了更优的比较方案，你在编写的时候无需考虑如何组织判断语句，心智负担降低，并且代码 2 可读性和简洁程度显然比代码 1 更好，有哪些条件分支一目了然。

甚至遇到类似以下的情况时：

int Match(int v){ return v switch {  1 => 5,  2 => 6,  3 => 7,  4 => 8,  _ => 9 };}

编译器会直接将代码从条件判断语句编译成 switch 语句：

int Match(int v){ switch (v) {  case 1:   return 5;  case 2:   return 6;  case 3:   return 7;  case 4:   return 8;  default:   return 9; }}

如此一来所有的判断都不需要比较（因为 switch 可根据 HashCode 直接跳转）。

编译器非常智能地为你选择了最佳的方案。

那鲁棒性从何谈起呢?假设你漏掉了一个分支：

int v = 5;var x = v switch{ > 3 => 1, < 3 => 2};

此时编译的话，编译器就会警告你漏掉了 v 可能为 3 的情况，帮助减少程序出错的可能性。

最后一点，可读性。

假设你现在有这样的东西：

abstract class Entry { }class UserEntry : Entry{ public int UserId { get; set; }}class DataEntry : Entry{ public int DataId { get; set; }}class EventEntry : Entry{ public int EventId { get; set; } // 如果 CanRead 为 false 则查询的时候直接返回空字符串 public bool CanRead { get; set; }}

现在有接收类型为 Entry 的参数的一个函数，该函数根据不同类型的 Entry 去数据库查询对应的 Content，那么只需要写：

string QueryMessage(Entry entry){ return entry switch {  UserEntry u => dbContext1.User.FirstOrDefault(i => i.Id == u.UserId).Content,  DataEntry d => dbContext1.Data.FirstOrDefault(i => i.Id == d.DataId).Content,  EventEntry { EventId: var eventId, CanRead: true } => dbContext1.Event.FirstOrDefault(i => i.Id == eventId).Content,  _ => throw new InvalidArgumentException("无效的参数") };}

更进一步，假如 Entry.Id 分布在了数据库 1 和 2 中，如果在数据库 1 当中找不到则需要去数据库 2 进行查询，如果 2 也找不到才返回空字符串，由于 C# 的模式匹配支持递归模式，因此只需要这样写：

string QueryMessage(Entry entry){ return entry switch {  UserEntry u => dbContext1.User.FirstOrDefault(i => i.Id == u.UserId) switch  {   null => dbContext2.User.FirstOrDefault(i => i.Id == u.UserId)?.Content ?? "",   var found => found.Content  },  DataEntry d => dbContext1.Data.FirstOrDefault(i => i.Id == d.DataId) switch  {   null => dbContext2.Data.FirstOrDefault(i => i.Id == u.DataId)?.Content ?? "",   var found => found.Content  },  EventEntry { EventId: var eventId, CanRead: true } => dbContext1.Event.FirstOrDefault(i => i.Id == eventId) switch  {   null => dbContext2.Event.FirstOrDefault(i => i.Id == eventId)?.Content ?? "",   var found => found.Content  },  EventEntry { CanRead: false } => "",  _ => throw new InvalidArgumentException("无效的参数") };}

就全部搞定了，代码非常简洁，而且数据的流向一眼就能看清楚，就算是没有接触过这部分代码的人看一下模式匹配的过程，也能一眼就立刻掌握各分支的情况，而不需要在一堆的 if-else 当中梳理这段代码到底干了什么。

使用记录类型和不可变数据

record 作为 C# 9 的新工具，配合 init 仅可初始化属性，为我们带来了高效的数据交互能力和不可变性。

消除可变性意味着无副作用，一个无副作用的函数无需担心数据同步互斥问题，因此在无锁的并行编程中非常有用。

record Point(int X, int Y);

简单的一句话等价于我们写了如下代码，帮我们解决了 ToString() 格式化输出、基于值的 GetHashCode() 和相等判断等等各种问题：

internal class Point : IEquatable<Point>{ private readonly int x; private readonly int y; protected virtual Type EqualityContract => typeof(Point); public int X {  get => x;  set => x = value; } public int Y {  get => y;  set => y = value; } public Point(int X, int Y) {  x = X;  y = Y; } public override string ToString() {  StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();  stringBuilder.Append("Point");  stringBuilder.Append(" { ");  if (PrintMembers(stringBuilder))  {   stringBuilder.Append(" ");  }  stringBuilder.Append("}");  return stringBuilder.ToString(); } protected virtual bool PrintMembers(StringBuilder builder) {  builder.Append("X");  builder.Append(" = ");  builder.Append(X.ToString());  builder.Append(", ");  builder.Append("Y");  builder.Append(" = ");  builder.Append(Y.ToString());  return true; } public static bool operator !=(Point r1, Point r2) {  return !(r1 == r2); } public static bool operator ==(Point r1, Point r2) {  if ((object)r1 != r2)  {   if ((object)r1 != null)   {    return r1.Equals(r2);   }   return false;  }  return true; } public override int GetHashCode() {  return (EqualityComparer<Type>.Default.GetHashCode(EqualityContract) * -1521134295 + EqualityComparer<int>.Default.GetHashCode(x)) * -1521134295 + EqualityComparer<int>.Default.GetHashCode(y); } public override bool Equals(object obj) {  return Equals(obj as Point); } public virtual bool Equals(Point other) {  if ((object)other != null && EqualityContract == other.EqualityContract && EqualityComparer<int>.Default.Equals(x, other.x))  {   return EqualityComparer<int>.Default.Equals(y, other.y);  }  return false; } public virtual Point Clone() {  return new Point(this); } protected Point(Point original) {  x = original.x;  y = original.y; } public void Deconstruct(out int X, out int Y) {  X = this.X;  Y = this.Y; }}

注意到 x 与 y 都是 readonly 的，因此一旦实例创建了就不可变，如果想要变更可以通过 with 创建一份副本，于是这种方式彻底消除了任何的副作用。

var p1 = new Point(1, 2);var p2 = p1 with { Y = 3 }; // (1, 3)

当然，你也可以自己使用 init 属性表示这个属性只能在初始化时被赋值：

class Point{ public int X { get; init; } public int Y { get; init; }}

这样一来，一旦 Point 被创建，则 X 和 Y 的值就不会被修改了，可以放心地在并行编程模型中使用，而不需要加锁。

var p1 = new Point { X = 1, Y = 2 };p1.Y = 3; // errorvar p2 = p1 with { Y = 3 }; //ok

使用 readonly 类型

上面说到了不可变性的重要性，当然，struct 也可以是只读的：

readonly struct Foo{ public int X { get; set; } // error}

上面的代码会报错，因为违反了 X 只读的约束。

如果改成：

readonly struct Foo{ public int X { get; }}

或

readonly struct Foo{ public int X { get; init; }}

则不会存在问题。

Span<T> 本身是一个 readonly ref struct，通过这样做保证了 Span<T> 里的东西不会被意外的修改，确保不变性和安全。

使用局部函数而不是 lambda 创建临时委托

在使用 Expression<Func<>> 作为参数的 API 时，使用 lambda 表达式是非常正确的，因为编译器会把我们写的 lambda 表达式编译成 Expression Tree，而非直观上的函数委托。

而在单纯只是 Func<>、Action<> 时，使用 lambda 表达式恐怕不是一个好的决定，因为这样做必定会引入一个新的闭包，造成额外的开销和 GC 压力。从 C# 8 开始，我们可以使用局部函数很好的替换掉 lambda：

int SomeMethod(Func<int, int> fun){ if (fun(3) > 3) return 3; else return fun(5);}void Caller(){ int Foo(int v) => v + 1; var result = SomeMethod(Foo); Console.WriteLine(result);}

以上代码便不会导致一个多余的闭包开销。

使用 ValueTask 代替 Task

我们在遇到 Task<T> 时，大多数情况下只是需要简单的对其进行 await 而已，而并不需要将其保存下来以后再 await，那么 Task<T> 提供的很多的功能则并没有被使用，反而在高并发下，由于反复分配 Task 导致 GC 压力增加。

这种情况下，我们可以使用 ValueTask<T> 代替 Task<T>：

async ValueTask<int> Foo(){ await Task.Delay(5000); return 5;}async ValueTask Caller(){ await Foo();}

由于 ValueTask<T> 是值类型结构，因此不会在堆上分配内存，于是可以做到 0 GC。

实现解构函数代替创建元组

如果我们想要把一个类型中的数据提取出来，我们可以选择返回一个元组，其中包含我们需要的数据：

class Foo{ private int x; private int y; public Foo(int x, int y) {  this.x = x;  this.y = y; } public (int, int) Deconstruct() {  return (x, y); }}class Program{ static void Bar(Foo v) {  var (x, y) = v.Deconstruct();  Console.WriteLine($"X = {x}, Y = {y}"); }}

上述代码会导致一个 ValueTuple<int, int> 的开销，如果我们将代码改成实现解构方法：

class Foo{ private int x; private int y; public Foo(int x, int y) {  this.x = x;  this.y = y; } public void Deconstruct(out int x, out int y) {  x = this.x;  y = this.y; }}class Program{ static void Bar(Foo v) {  var (x, y) = v;  Console.WriteLine($"X = {x}, Y = {y}"); }}

则不仅省掉了 Deconstruct() 的调用，同时还没有任何的额外开销。你可以看到实现 Deconstruct 函数并不需要让你的类型实现任何的接口，从根本上杜绝了装箱的可能性，这是一种 0 开销抽象。另外，解构函数还能用于做模式匹配，你可以像使用元组一样地使用解构函数（下面代码的意思是，当 x 为 3 时取 y，否则取 x + y）：

void Bar(Foo v){ var result = v switch {  Foo (3, var y) => y,  Foo (var x, var y) => x + y,  _ => 0 }; Console.WriteLine(result);}

总结

在合适的时候使用 C# 的新特性，不但可以提升开发效率，同时还能兼顾代码质量和运行效率的提升。

但是切忌滥用。新特性的引入对于我们写高质量的代码无疑有很大的帮助，但是如果不分时宜地使用，可能会带来反效果。

希望本文能对各位开发者使用新版 C# 时带来一定的帮助，感谢阅读。

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教你使用新版C#编写高效率、高质量的代码前言C#从7版本开始一直到如今的9版本，加入了非常多的特性，其中不乏改善性能、增加程序健壮性和代码简洁性、可读性的改进，这里我整理一些使用新版C#的时候个人推荐的写法，可能不适用于所有的人，但是还是希望对你们有所帮助。注意：本指南适用于.NET5或以上版本。使用refstruct做到0GCC#7开始引入了一种叫做refstruct的结构，这种结构本质是str
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