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”）：

LINQ操作，与 IEnumerable<T>类型；
async/await，与 Task/ ValueTask类型；
表达式树，与 Expression<T>类型；
插值字符串，与 FormattableString类型；
yieldreturn，与 IEnumerable<T>类型；
foreach循环，与 IEnumerable<T>类型；
using关键字，与 IDisposable接口；
T?，与 Nullable<T>类型；
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 awaitt本质会按如下顺序执行：

先调用 t.GetAwaiter()方法，取得等待器 a；
调用 a.IsCompleted取得布尔类型 b；
如果 b=true，则立即执行 a.GetResult()，取得运行结果；
如果 b=false，则看情况：
如果 a没实现 ICriticalNotifyCompletion，则执行 (aasINotifyCompletion).OnCompleted(action)
如果 a实现了 ICriticalNotifyCompletion，则执行 (aasICriticalNotifyCompletion).OnCompleted(action)
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. `yieldreturn`，与 `IEnumerable<T>`类型；

是“黑魔法”，但有补充说明。

yieldreturn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;
}

yieldreturn——“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 awaitforeach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;}}
}

awaitforeach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 refstruct和 IAsyncDisposable就是另一个故事了，由于 refstruct不允许随便移动，而引用类型——托管堆，会允许内存移动，所以 refstruct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—— TypeClasses，到时候“操作空间”肯定比现在更大，非常期待！

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