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未来的C#之只读引用与结构体

发表于:2017-08-08 作者:Jonathan Allen 来源: 点击数:

  C++中提供了const特性,使用该特性定义的参数,其所引用的参数或对象将不会被调用函数修改(当然const还提供了更多的特性,参见“Const正确性”)。在新的建议中,C#也将提供类似的特性。
  只读ref参数
  在C#中,“只读引用”也可称为“in参数”,两者提供了类似的限制。只读引用的基本思想是,如果用“readonly ref”或仅是“in”标注一个参数,那么编译器会解释为“将该参数按引用传递以改进性能,但不允许实际更改该参数”。该特性对于在高性能场景下的大型结构体尤为有用。在建议中引用了如下的例子:
  我们知道,在XNA等图形库中的向量/矩阵数学运算符是具有ref操作符的,这纯粹是出于性能上的考虑。Roslyn编译器本身就有代码使用了结构体,以避免内存分配,并可通过引用的方式传递结构体,免除复制的繁琐。
  该语法还结合了C++版本的const。即参数本身是不可更改的,参数所引用的对象或结构体中的所有数据也是不可更改的。
  当前在通过引用传递一个参数时,必须使用“ref”或“out”关键字。在这个建议实现后,使用“in”参数无需受此限制。进而表达式的结果也可以传递进来(当前这在VB中是允许的,但是在C#中尚不允许)。
  实现细节
  对比“ref”和“out”参数,它们的重载规则具有相同的工作机制。
  这依然有待议定,但是当前的计划是不允许“in”参数被匿名函数或async函数捕获(即生成一个闭包对象)。捕获“in”参数的问题在于会导致一次拷贝,这破坏了使用“in”参数的初衷,即避免拷贝所导致的性能损耗。
  将参数标为“readonly ref”或“in”,并不会令引用值成为不可变值。虽然参数值无法被声明函数更改,但可以在其它地方修改。无需使用多线程,只需能访问参数所引用原始变量的方法即可。
  在结构体上调用方法可能会导致问题。在建议中是这样说的:
  结构体的所有常规实例方法可转变(mutate)实例,或是对实例暴露引用(ref-expose),因此必须要创建一个临时拷贝,正如当前对接收者是只读域时的做法。
  但是,由于没有考虑向后兼容,也不存在变通方案,所以编译器只是给出一个警告,以确保用户留意到这一隐式拷贝。
  使用“out”参数时,一个特殊的参数标识了是否需要“in”参数。该参数将被旧的编译器忽略,因此没有向后兼容的问题。
  只读ref返回
  与该特性密切相关的是将ref returns标为只读的功能。开发人员使用“in”参数,主要因为它能提供良好的性能,但是“in”参数不允许返回表达式的结果。返回值必须是正常ref返回的一个合法变量,其中可以包含数组元素、ref参数和对象中的域。
  ref/in的扩展方法
  “ref”扩展方法将允许扩展方法修改传递进来的结构体。需要编译器能验证传递给ref扩展方法的参数是可变的。
  虽然“in”扩展方法不允许修改参数,但对于性能敏感的代码依然十分有用,尤其是结构体非常大的时候。这时当然不需要一个可变参数。
  在上面两种情况下,该特性只能用于结构体。
  编辑按:假定广泛使用了PureAttribute,编译器将不允许对“in”扩展方法调用非PureAttribute的方法。但由于对性能并无太大改善,因此不大可能广泛应用。
  只读结构体
  将结构体变量标为readonly可能会对性能产生影响。编译器无法确定某个调用是否会对结构体产生改动,因此会默认能够修改,并始终复制只读结构体变量的副本。
  使用该特性,开发人员可以在类型层面上将整个结构体标为只读。这样一来,编译器就知道:在通过只读结构体的变量暴露该只读结构体时,不需要进行拷贝。
  在建议中指出:
  唯一一个显而易见的问题在于:是否需要将其中一些方法改为赋值(mutator)方法。
  目前,对只读结构体进行逐个控制只会增加不必要的复杂性,我们可以后期需要时再行添加。
  当前,我们假定可变和不可变成员“混合”的结构体并不常见。此外,可变结构体的部分变量通常需要是LValues,从而避免隐式拷贝的影响。
  缺点
  建议还指出,这些功能对已有代码不大可能有帮助,但在如下新场景中会很有用,例如:
  在计算能力关乎费用,响应能力关乎竞争优势的云场景或数据中心场景下。
  对延迟有软性实时需求的游戏/VR/AR场景。
  在建议中也提出了警告,在“in”参数上的限制可循环作用于被调用函数。但这一问题并不严重,因为已经可以使用“out”参数执行同一操作了。