提高 C# 的生产力：C# 13 更新完全指南

前言

预计在 2024 年 11 月，C# 13 将与 .NET 9 一起正式发布。今年的 C# 更新主要集中在 ref struct 上进行了许多改进，并添加了许多有助于进一步提高生产力的便利功能。

本文将介绍预计将在 C# 13 中添加的功能。

注意：目前 C# 13 还未正式发布，因此以下内容可能会发生变化。

在迭代器和异步方法中使用 ref 和 ref struct

在使用 C# 进行编程时，你是否经常使用 ref 变量和 Span 等 ref struct 类型？然而，这些不能在迭代器和异步方法中使用，于是必须使用局部函数等来避免在迭代器和异步方法中直接使用 ref 变量 ref struct 类型，这非常不方便。

这个缺点在 C# 13 中得到了改善，现在迭代器和异步方法也可以使用 ref 和 ref struct 了！

在迭代器中使用 ref 和 ref struct 的例子：

IEnumerable<float> GetFloatNumberFromIntArray(int[] array)
{
    for (int i = 0; i < array.Length; i++)
    {
        Span<int> span = array.AsSpan();
        // 进行一些处理...
        ref float v = ref Unsafe.As<int, float>(ref array[i]);
        yield return v;
    }
}

在异步方法中使用 ref struct 的例子：

async Task ProcessDataAsync(int[] array)
{
    Span<int> span = array.AsSpan();
    // 进行一些处理...
    ref int element = ref span[42];
    element++;
    await Task.Yield();
}

为了展示功能，我使用了不适当且含糊不清的“一些处理”，不过重要的是现在可以使用 ref 和 ref struct 了！

但是，有一点需要注意，ref 变量和 ref struct 类型的变量不能超出 yield 和 await 的边界使用。例如，以下示例将导致编译错误。

async Task ProcessDataAsync(int[] array)
{
    Span<int> span = array.AsSpan();
    // 进行一些处理...
    ref int element = ref span[42];
    element++;
    await Task.Yield();
    element++; // 错误：对 element 的访问超出了 await 的边界
}

虽然我们已经说到这里，但我想可能有人会疑惑，到底 ref 和 ref struct 是什么，所以我稍微解释一下。

在 C# 中，可以使用 ref 来获取变量的引用。这样，就可以通过引用来更改原始变量。以下是一个例子：

void Swap(ref int a, ref int b) // ref 表示引用
{
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp; // 到这里，a 和 b 已经交换了
}

int x = 1;
int y = 2;
Swap(ref x, ref y); // 获取 x 和 y 的引用，调用 Swap 来交换 x 和 y

另一方面，ref struct 是用于定义只能存在于堆栈上的值类型的。这是为了避免垃圾收集的开销。然而，由于 ref struct 只能存在于堆栈上，所以在 C# 13 之前，它不能在迭代器和异步方法等地方使用。

顺便一提，ref struct 之所以带有 ref，是因为 ref struct 的实例只能存在于堆栈上，其遵循的生命周期规则与 ref 变量相同。

allows ref struct 泛型约束

在以前，ref struct 不能作为泛型类型参数使用，因此，考虑到代码的可重用性，引入了泛型，但最终 ref struct 不能使用，必须为 Span 或 ReadOnlySpan 重新编写相同的处理，于是就很麻烦。

在 C# 13 中，泛型类型也可以使用 ref struct 了：

using System;
using System.Numerics;

Process([1, 2, 3, 4], Sum); // 10
Process([1, 2, 3, 4], Multiply); // 24

T Process<T>(ReadOnlySpan<T> span, Func<ReadOnlySpan<T>, T> method)
{
    return method(span);
}

T Sum<T>(ReadOnlySpan<T> span) where T : INumberBase<T>
{
    T result = T.Zero;
    foreach (T value in span)
    {
        result += value;
    }
    return result;
}

T Multiply<T>(ReadOnlySpan<T> span) where T : INumberBase<T>
{
    T result = T.One;
    foreach (T value in span)
    {
        result *= value;
    }
    return result;
}

为什么像 ReadOnlySpan<T> 这样的 ref struct 类型可以作为 Func 的类型参数呢？为了调查这个问题，我查看了 .NET 的 源代码，发现 Func 类型的泛型参数是这样定义的：

public delegate TResult Func<in T, out TResult>(T arg)
    where T : allows ref struct
    where TResult : allows ref struct;

如果在泛型参数上添加 allow ref struct 约束，那么就可以将 ref struct 类型传递给该参数。

这确实是一个方便的功能。

ref struct 也可以实现接口

在 C# 13 中，ref struct 可以实现接口。

如果将此功能与 allows ref struct 结合使用，那么也可以通过泛型类型传递引用：

using System;
using System.Numerics;

int a = 10;
// 使用 Ref<int> 保存 a 的引用
Ref<int> aRef = new Ref<int>(ref a);
// 传递 Ref<int>
Increase<Ref<int>, int>(aRef);
Console.WriteLine(a); // 11

void Increase<T, U>(T data) where T : IRef<U>, allows ref struct where U : INumberBase<U>
{
    ref U value = ref data.GetRef();
    value++;
}

interface IRef<T>
{
    ref T GetRef();
}

// 为 Ref<T> 这样的 ref struct 实现接口
ref struct Ref<T> : IRef<T>
{
    private ref T _value;

    public Ref(ref T value)
    {
        _value = ref value;
    }

    public ref T GetRef()
    {
        return ref _value;
    }
}

这样一来，编写 ref struct 相关的代码就变得更容易了。另外，也能给各种 ref struct 实现的枚举器实现 IEnumerator 之类的接口了。

集合类型和 Span 也可以使用 params

在以前，params 只能用于数组类型，但从 C# 13 开始，它也可以用于其他集合类型和 Span。

params 是一种功能，允许在调用方法时直接指定任意数量的参数。

例如，

Test(1, 2, 3, 4, 5, 6);
void Test(params int[] values) { }

如上所示，可以直接指定任意数量的 int 参数。

从 C# 13 开始，除了数组类型外，其他集合类型、Span、ReadOnlySpan 类型以及与集合相关的接口也可以添加 params：

Test(1, 2, 3, 4, 5, 6);
void Test(params ReadOnlySpan<int> values) { }

// 或者
Test(1, 2, 3, 4, 5, 6);
void Test(params List<int> values) { }

// 接口也可以
Test(1, 2, 3, 4, 5, 6);
void Test(params IEnumerable<int> values) { }

这也很方便！

field 关键字

在实现 C# 的属性时，经常需要定义一大堆字段，如下所示...

partial class ViewModel : INotifyPropertyChanged
{
    // 定义字段
    private int _myProperty;

    public int MyProperty
    {
        get => _myProperty;
        set
        {
            if (_myProperty != value)
            {
                _myProperty = value;
                OnPropertyChanged();
            }
        }
    }
}

因此，从 C# 13 开始，field 关键字将派上用场！

partial class ViewModel : INotifyPropertyChanged
{
    public int MyProperty
    {
        // 只需使用 field
        get => field;
        set
        {
            if (field != value)
            {
                field = value;
                OnPropertyChanged();
            }
        }
    }
}

不再需要自己定义字段，只需使用 field 关键字，字段就会自动生成。

这也非常方便！

部分属性

在编写 C# 时，常见的问题之一是：属性不能添加 partial 修饰符。

在 C# 中，可以在类或方法上添加 partial，以便分别进行声明和实现。此外，还可以分散类的各个部分。它的主要用途是在使用源代码生成器等自动生成工具时，指定要生成的内容。

例如：

partial class ViewModel
{
    // 这里只声明方法，实现部分由工具自动生成
    partial void OnPropertyChanged(string propertyName);
}

然后自动生成工具会生成以下代码：

partial class ViewModel : INotifyPropertyChanged
{
    public event PropertyChangedEventHandler? PropertyChanged;

    partial void OnPropertyChanged(string propertyName)
    {
        PropertyChanged?.Invoke(this, new(propertyName));
    }
}

开发者只需要声明 OnPropertyChanged，其实现将全部由自动生成，从而节省了开发者的时间。

从 C# 13 开始，属性也支持 partial：

partial class ViewModel
{
    // 声明部分属性
    public partial int MyProperty { get; set; }
}

partial class ViewModel
{
    // 部分属性的实现
    public partial int MyProperty
    {
        get
        {
            // ...
        }
        set
        {
            // ...
        }
    }
}

这样，属性也可以由工具自动生成了。

锁对象

众所周知，lock 是一种功能，通过监视器用于线程同步。

object lockObject = new object();
lock (lockObject)
{
    // 关键区
}

但是，这个功能的开销其实很大，会影响性能。

为了解决这个问题，C# 13 实现了锁对象。要使用此功能，只需用 System.Threading.Lock 替换被锁定的对象即可：

using System.Threading;

Lock lockObject = new Lock();
lock (lockObject)
{
    // 关键区
}

这样就可以轻松提高性能了。

初始化器中的尾部索引

索引运算符 ^ 可用于表示集合末尾的相对位置。从 C# 13 开始，初始化器也支持此功能：

var x = new Numbers
{
    Values = 
    {
        [1] = 111,
        [^1] = 999 // ^1 是从末尾开始的第一个元素
    }
    // x.Values[1] 是 111
    // x.Values[9] 是 999，因为 Values[9] 是最后一个元素
};

class Numbers
{
    public int[] Values { get; set; } = new int[10];
}

转义字符

在 Unicode 字符串中，可以使用 \e 代替 \u001b 和 \x1b。\u001b、\x1b 和 \e 都表示转义字符。它们通常用于表示控制字符。

• \u001b 表示 Unicode 转义序列，\u 后面的 4 位十六进制数表示 Unicode 代码点
• \x1b 表示十六进制转义序列，\x 后面的 2 位十六进制数表示 ASCII 代码
• \e 表示转义字符本身

推荐使用 \e 的原因是，可以避免在十六进制中的混淆。

例如，如果 \x1b 后面跟着 3，则变为 \x1b3，由于 \x1b 和 3 之间没有明确的分隔，因此不清楚应该分别解释成 \x1b 和 3，还是放在一起解释。

如果使用 \e，则可以避免混淆。

其他

除了上述功能外，方法组中的自然类型和方法重载中的优先级也有一些改进，但在本文中省略。如果想了解更多信息，请参阅文档。

结语

C# 正在年复一年地进化，对我来说 C# 13 的更新中实现了许多非常实用且方便的功能，解决了不少实际的痛点。期待 .NET 9 和 C# 13 的正式发布～