新版 C# 高效率編程指南-有解無憂

前言

C# 從 7 版本開始一直到如今的 9 版本，加入了非常多的特性，其中不乏改善性能、增加程式健壯性和代碼簡潔性、可讀性的改進，這里我整理一些使用新版 C# 的時候個人推薦的寫法，可能不適用于所有的人，但是還是希望對你們有所幫助，

注意：本指南適用于 .NET 5 或以上版本，

使用 ref struct 做到 0 GC

C# 7 開始引入了一種叫做 ref struct 的結構，這種結構本質是 struct ，結構存盤在堆疊記憶體，但是與 struct 不同的是，該結構不允許實作任何介面，并由編譯器保證該結構永遠不會被裝箱，因此不會給 GC 帶來任何的壓力，相對的，使用中就會有不能逃逸出堆疊的強制限制，

Span<T> 就是利用 ref struct 的產物，成功的封裝出了安全且高性能的記憶體訪問操作，且可在大多數情況下代替指標而不損失任何的性能，

ref struct MyStruct
{
    public int Value { get; set; }
}
    
class RefStructGuide
{
    static void Test()
    {
        MyStruct x = new MyStruct();
        x.Value = https://www.cnblogs.com/hez2010/p/100;
        Foo(x); // ok
        Bar(x); // error, x cannot be boxed
    }

    static void Foo(MyStruct x) { }
    
    static void Bar(object x) { }
}

使用 stackalloc 在堆疊上分配連續記憶體

對于部分性能敏感卻需要使用少量的連續記憶體的情況，不必使用陣列，而可以通過 stackalloc 直接在堆疊上分配記憶體，并使用 Span<T> 來安全的訪問，同樣的，這么做可以做到 0 GC 壓力，

stackalloc 允許任何的值型別結構，但是要注意，Span<T> 目前不支持 ref struct 作為泛型引數，因此在使用 ref struct 時需要直接使用指標，

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 = https://www.cnblogs.com/hez2010/p/i };
        }
    }

    static void StructAlloc()
    {
        Span x = stackalloc int[10];
        for (int i = 0; i < x.Length; i++)
        {
            x[i] = i;
        }
    }
}

使用 Span 操作連續記憶體

C# 7 開始引入了 Span<T>，它封裝了一種安全且高性能的記憶體訪問操作方法，可用于在大多數情況下代替指標操作，

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]);
    }
}

性能敏感時對于頻繁呼叫的函式使用 SkipLocalsInit

C# 為了確保代碼的安全會將所有的區域變數在宣告時就進行初始化，無論是否必要，一般情況下這對性能并沒有太大影響，但是如果你的函式在操作很多堆疊上分配的記憶體，并且該函式還是被頻繁呼叫的，那么這一消耗的副作用將會被放大變成不可忽略的損失，

因此你可以使用 SkipLocalsInit 這一特性禁用自動初始化區域變數的行為，

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

上述代碼將輸出不可預期的結果，因為 g 并沒有被初始化為 0，另外，訪問未初始化的變數需要在 unsafe 背景關系中使用指標進行訪問，

使用函式指標代替 Marshal 進行互操作

C# 9 帶來了函式指標功能，該特性支持 managed 和 unmanaged 的函式，在進行 native interop 時，使用函式指標將能顯著改善性能，

例如，你有如下 C++ 代碼：

#define UNICODE
#define WIN32
#include <cstring>

extern "C" __declspec(dllexport) char* __cdecl InvokeFun(char* (*foo)(int)) {
    return foo(5);
}

并且你撰寫了如下 C# 代碼進行互操作：

[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));
}

上述代碼中，首先 C# 將自己的 Foo 方法作為函式指標傳給了 C++ 的 InvokeFun 函式，然后 C++ 用引數 5 呼叫該函式并回傳其回傳值到 C# 的呼叫方，

注意到上述代碼還用了 UnmanagedCallersOnly 這一特性，這樣可以告訴編譯器該方法只會從 unmanaged 的代碼被呼叫，因此編譯器可以做一些額外的優化，

使用函式指標產生的 IL 指令非常高效：

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

除了 unmanaged 的情況外，managed 函式也是可以使用函式指標的：

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

產生的代碼相對于原本的 Delegate 來說更加高效：

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

使用模式匹配

有了if-else、as和強制型別轉換，為什么要使用模式匹配呢?有三方面原因：性能、魯棒性和可讀性，

為什么說性能也是一個原因呢?因為 C# 編譯器會根據你的模式編譯出最優的匹配路徑，

考慮一下以下代碼（代碼 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 運算式寫法則變成（代碼 2）：

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

以上代碼會被編譯器編譯為：

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;
}

我們計算一下平均比較次數：

代碼	5	6	7	8	9	總數	平均
代碼 1	1	3	4	4	2	14	2.8
代碼 2	2	3	2	2	3	12	2.4

可以看到使用模式匹配時，編譯器選擇了更優的比較方案，你在撰寫的時候無需考慮如何組織判斷陳述句，心智負擔降低，并且代碼 2 可讀性和簡潔程度顯然比代碼 1 更好，有哪些條件分支一目了然，

甚至遇到類似以下的情況時：

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

編譯器會直接將代碼從條件判斷陳述句編譯成 switch 陳述句：

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;
    }
}

如此一來所有的判斷都不需要比較（因為 switch 可根據 HashCode 直接跳轉），

編譯器非常智能地為你選擇了最佳的方案，

那魯棒性從何談起呢?假設你漏掉了一個分支：

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

此時編譯的話，編譯器就會警告你漏掉了 v 可能為 3 的情況，幫助減少程式出錯的可能性，

最后一點，可讀性，

假設你現在有這樣的東西：

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 為 false 則查詢的時候直接回傳空字串
    public bool CanRead { get; set; }
}

現在有接收型別為 Entry 的引數的一個函式，該函式根據不同型別的 Entry 去資料庫查詢對應的 Content，那么只需要寫：

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,
        EventEntry { CanRead: false } => "",
        _ => throw new InvalidArgumentException("無效的引數")
    };
}

更進一步，假如 Entry.Id 分布在了資料庫 1 和 2 中，如果在資料庫 1 當中找不到則需要去資料庫 2 進行查詢，如果 2 也找不到才回傳空字串，由于 C# 的模式匹配支持遞回模式，因此只需要這樣寫：

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("無效的引數")
    };
}

就全部搞定了，代碼非常簡潔，而且資料的流向一眼就能看清楚，就算是沒有接觸過這部分代碼的人看一下模式匹配的程序，也能一眼就立刻掌握各分支的情況，而不需要在一堆的 if-else 當中梳理這段代碼到底干了什么，

使用記錄型別和不可變資料

record 作為 C# 9 的新工具，配合 init 僅可初始化屬性，為我們帶來了高效的資料互動能力和不可變性，

消除可變性意味著無副作用，一個無副作用的函式無需擔心資料同步互斥問題，因此在無鎖的并行編程中非常有用，

record Point(int X, int Y);

簡單的一句話等價于我們寫了如下代碼，幫我們解決了 ToString() 格式化輸出、基于值的 GetHashCode() 和相等判斷等等各種問題：

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 與 y 都是 readonly 的，因此一旦實體創建了就不可變，如果想要變更可以通過 with 創建一份副本，于是這種方式徹底消除了任何的副作用，

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

當然，你也可以自己使用 init 屬性表示這個屬性只能在初始化時被賦值：

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

這樣一來，一旦 Point 被創建，則 X 和 Y 的值就不會被修改了，可以放心地在并行編程模型中使用，而不需要加鎖，

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

使用 readonly 型別

上面說到了不可變性的重要性，當然，struct 也可以是只讀的：

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

上面的代碼會報錯，因為違反了 X 只讀的約束，

如果改成：

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

或

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

則不會存在問題，

Span<T> 本身是一個 readonly ref struct，通過這樣做保證了 Span<T> 里的東西不會被意外的修改，確保不變性和安全，

使用區域函式而不是 lambda 創建臨時委托

在使用 Expression<Func<>> 作為引數的 API 時，使用 lambda 運算式是非常正確的，因為編譯器會把我們寫的 lambda 運算式編譯成 Expression Tree，而非直觀上的函式委托，

而在單純只是 Func<>、Action<> 時，使用 lambda 運算式恐怕不是一個好的決定，因為這樣做必定會引入一個新的閉包，造成額外的開銷和 GC 壓力，從 C# 8 開始，我們可以使用區域函式很好的替換掉 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);
}

以上代碼便不會導致一個多余的閉包開銷，

使用 ValueTask 代替 Task

我們在遇到 Task<T> 時，大多數情況下只是需要簡單的對其進行 await 而已，而并不需要將其保存下來以后再 await，那么 Task<T> 提供的很多的功能則并沒有被使用，反而在高并發下，由于反復分配 Task 導致 GC 壓力增加，

這種情況下，我們可以使用 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> 是值型別結構，因此不會在堆上分配記憶體，于是可以做到 0 GC，

實作解構函式代替創建元組

如果我們想要把一個型別中的資料提取出來，我們可以選擇回傳一個元組，其中包含我們需要的資料：

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}");
    }
}

上述代碼會導致一個 ValueTuple<int, int> 的開銷，如果我們將代碼改成實作解構方法：

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}");
    }
}

則不僅省掉了 Deconstruct() 的呼叫，同時還沒有任何的額外開銷，你可以看到實作 Deconstruct 函式并不需要讓你的型別實作任何的介面，從根本上杜絕了裝箱的可能性，這是一種 0 開銷抽象，另外，解構函式還能用于做模式匹配，你可以像使用元組一樣地使用解構函式（下面代碼的意思是，當 x 為 3 時取 y，否則取 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);
}

總結

在合適的時候使用 C# 的新特性，不但可以提升開發效率，同時還能兼顧代碼質量和運行效率的提升，

但是切忌濫用，新特性的引入對于我們寫高質量的代碼無疑有很大的幫助，但是如果不分時宜地使用，可能會帶來反效果，

希望本文能對各位開發者使用新版 C# 時帶來一定的幫助，感謝閱讀，

轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/net/121750.html

標籤：C#

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