欢迎光临
我的个人博客网站

C# 9.0新特性详解系列之五:记录(record)和with表达式


1 背景与动机

传统面向对象编程的核心思想是一个对象有着唯一标识,表现为对象引用,封装着随时可变的属性状态,如果你改变了一个属性的状态,这个对象还是原来那个对象,就是对象引用没有因为状态的改变而改变,也就是说该对象可以有很多种状态。C#从最初开始也是一直这样设计和工作的。但是一些时候,你可能非常需要一种恰好相反的方式,例如我需要一个对象只有一个状态,那么原来那种默认方式往往会成为阻力,使得事情变得费时费力。

当一个类型的对象在创建时被指定状态后,就不会再变化的对象,我们称之为不可变类型。这种类型是线程安全的,不需要进行线程同步,非常适合并行计算的数据共享。它减少了更新对象会引起各种bug的风险,更为安全。System.DateTime和string就是不可变类型非常经典的代表。

原来,我们要用类来创建一个不可变类型,你首先要定义只读字段和属性,并且还要重写涉及相等判断的方法等。在C#9.0中,引入了record,专门用来以最简的方式创建不可变类型的新方式。如果你需要一个行为像值类型的引用类型,你可以使用record;如果你需要整个对象都是不可变的,且行为像一个值,那么你也可考虑将其声明为一个record类型。 那么什么是record类型?

2 Record介绍

record类型是一种用record关键字声明的新的引用类型,与类不同的是,它是基于值相等而不是唯一的标识符——对象引用。他有着引用类型的支持大对象、继承、多态等特性,也有着结构的基于值相等的特性。可以说有着class和struct两者的优势,在一些情况下可以用以替代class和struct。

提到不可变的类型,我们会想到readonly struct,那么为什么要选择添加一个新的类型,而不是用readonly struct呢?这是因为记录有着如下优点:

  • 在构造不可变的数据结构时,它的语法简单易用。

  • record为引用类型,不用像值类型在传递时需要内存分配,并进行整体拷贝。

  • 构造函数和结构函数为一体的、简化的位置记录

  • 有力的相等性支持,重写了Equals(object), IEquatable, 和GetHashCode()这些基本方法。

2.1 record类型的定义与使用

2.1.1 常规方式

record类型可以定义为可变的,也可以是不可变的。现在,我们用record定义一个只有只读属性的Person类型如下。这种只有只读属性的类型,因为其在创建好之后,属性就不能再被修改,我们通常把这种类型叫做不可变类型。

public record Person {     public string LastName { get; }     public string FirstName { get; }      public Person(string first, string last) => (FirstName, LastName) = (first, last); } 

上面这种声明,在使用时,只能用带参的构造函数进行初始化。要创建一个record对象跟类没有什么区别:

Person person = new("Andy", "Kang"); 

如果要支持用对象初始化器进行初始化,则在属性中使用init关键字。这种形式,如果不需要用带参的构造函数进行初始化,可以不定义带参的构造函数,上面的Person可以改为下面形式。

public record Person {     public string? FirstName { get; init; }     public string? LastName { get; init; } } 

现在,创建Person对象时,用初始化器进行初始化如下:

Person person = new() { FirstName = "Andy", LastName = "Kang"}; 

如果需要是可变类型的record,我们定义如下。这种因为有set访问器,所有它支持用对象初始化器进行初始化,如果你想用构造函数进行初始化,你可以添加自己的构造函数。

public record Person {     public string? FirstName { get; set; }     public string? LastName { get; set; }  } 

2.1.2 位置记录 / Positional records

为了支持将record对象能解构成元组,我们给record添加解构函数Deconstruct。这种record就称为位置记录。下面代码定义的Person,记录的内容是通过构造函数的参数传入,并且通过位置解构函数提取出来。你完全可以在记录中定义你自己的构造和解构函数(注意不是析构函数)。如下所示:。

public record Person  {      public string FirstName { get; init; }      public string LastName { get; init; }     public Person(string firstName, string lastName)        => (FirstName, LastName) = (firstName, lastName);     public void Deconstruct(out string firstName, out string lastName)        => (firstName, lastName) = (FirstName, LastName); } 

针对上面如此复杂的代码,C#9.0提供了更精简的语法表达上面同样的内容。需要注意的是,这种记录类型是不可变的。这也就是为什么有record默认是不可变的说法由来。

public record Person(string FirstName, string LastName); 

该方式声明了公开的、仅可初始化的自动属性、构造函数和解构函数。现在创建对象,你就可以写如下代码:

var person = new Person("Mads", "Torgersen"); // 位置构造函数 var (firstName, lastName) = person;                        // 位置解构函数 

当然,如果你不喜欢产生的自动属性、构造函数和解构函数,你可以自定义同名成员代替,产生的构造函数和解构函数将会只使用你自定义的那个。在这种情况下,被自定义参数处于你用于初始化的作用域内,例如,你想让FirstName是个保护属性:

public record Person(string FirstName, string LastName) {     protected string FirstName { get; init; } = FirstName;  } 

如上例子所示,对位置记录进行扩展,你可以在大括号里添加你想要的任何成员。

一个位置记录可以像下面这样调用父类构造函数。

public record Student(string FirstName, string LastName, int ID) : Person(FirstName, LastName); 

2.1.3 定义的总结

record默认情况下是被设计用来进行描述不可变类型的,因此位置记录这种短小简明的声明方式是推荐方式。

2.2 with表达式

当使用不可变的数据时,一个常见的模式是从现存的值创建新值来呈现一个新状态。例如,如果Person打算改变他的姓氏(last name),我们就需要通过拷贝原来数据,并赋予一个不同的last name值来呈现一个新Person。这种技术被称为非破坏性改变。作为描绘随时间变化的person,record呈现了一个特定时间的person的状态。为了帮助进行这种类型的编程,针对records就提出了with表达式,用于拷贝原有对象,并对特定属性进行修改:

var person = new Person { FirstName = "Mads", LastName = "Nielsen" }; var otherPerson = person with { LastName = "Torgersen" }; 

如果只是进行拷贝,不需要修改属性,那么无须指定任何属性修改,如下所示:

Person clone = person with { }; 

with表达式使用初始化语法来说明新对象在哪里与原有对象不同。with表达式实际上是拷贝原来对象的整个状态值到新对象,然后根据对象初始化器来改变指定值。这意味着属性必须有init或者set访问器,才能用with表达式进行更改。

需要注意的是:

  • with表达式左边操作数必须为record类型。
  • record的引用类型的成员在拷贝的时候,只是将所指实例的引用进行了拷贝。

2.3 record的面向对象的特性——继承、多态等

记录(record)和类一样,在面向对象方面,支持继承,多态等所有特性。除过前面提到的record专有的特性,其他语法写法跟类也是一样。同其他类型一样,record的基类依然是object。
要注意的是:

  • 记录只能从记录继承,不能从类继承,也不能被任何类继承。

  • record不能定义为static的,但是可以有static成员。

下面一个学生record,它继承自Person:

public record Person {     public string? FirstName { get; init; }     public string? LastName { get; init; } }  public sealed record Student : Person {     public int ID { get; init; } } 

对于位置记录,只要保持record特有的写法即可:

public record Person(string FirstName, string LastName);  public sealed record Student(string FirstName, string LastName, int Level) : Person(FirstName, LastName);  public sealed record Teacher(string FirstName, string LastName, string Title) : Person(FirstName, LastName) {     public override string ToString()     {         StringBuilder s = new();         base.PrintMembers(s);         return $"{s.ToString()} is a Teacher";     } } 

with表达式和值相等性与记录的继承结合的很好,因为他们不仅是静态的已知类型,而且考虑到了整个运行时对象。比如,我创建一个Student对象,将其存在Person变量里。

Person student = new Student { FirstName = "Mads", LastName = "Nielsen", ID = 129 }; 

with表达式仍然拷贝整个对象并保持着运行时的类型:

var otherStudent = student with { LastName = "Torgersen" }; WriteLine(otherStudent is Student); // true 

同样地,值相等性确保两个对象有着同样的运行时类型,然后比较他们的所有状态:

Person similarStudent = new Student { FirstName = "Mads", LastName = "Nielsen", ID = 130 }; WriteLine(student != similarStudent); //true, 由于ID值不同 

2.4 record实现原理

从本质上来讲,record仍然是一个类,但是关键字record赋予这个类额外的几个像值的行为。也就是,当你定义了record时候,编译器会自动生成以下方法,来实现基于值相等的特性(即只要两个record的所有属性都相等,且类型相同,那么这两个record就相等)、对象的拷贝和成员及其值的输出。

  • 基于值相等性的比较方法,如Equals,==,!=,EqualityContract等。

  • 重写GetHashCode()

  • 拷贝和克隆成员

  • PrintMembers和ToString()方法

例如我先定义一个Person的记录类型:

public record Person(string FirstName, string LastName); 

编译器生成的代码和下面的代码定义是等价的。但是要注意的是,跟编译器实际生成的代码相比,名字的命名是有所不同的。

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

这些由编译器生成的一些成员,是允许编程人员自定义的,一旦编译器发现有自定义的某个成员,它就不会再生成这个成员。

由此可见,record实际上就是编译器特性,并且records由他们的内容来界定,不是他们的引用标识符。从这一点上讲,records更接近于结构,但是他们依然是引用类型。

2.4.1 基于值的相等

所有对象都从object类型继承了 Equals(object),这是静态方法 Object.Equals(object, object) 用来比较两个非空参数的基础。结构重写了这个方法,通过递归调用每个结构字段的Equals方法,从而有了“基于值的相等”。Recrods也是这样。这意味着只要他们的值保持一致,两个record对象可以不是同一个对象实例就会相等。例如我们将修改的Last name又修改回去了:

var originalPerson = otherPerson with { LastName = "Nielsen" }; 

现在我们会得到 ReferenceEquals(person, originalPerson) = false (他们不是同一对象),但是 Equals(person, originalPerson) = true (他们有同样的值).。与基于值的Equals一起的,还伴有基于值的GetHashCode()的重写。另外,records实现了IEquatable并重载了==和 !=这两个操作符,这些都是为了基于值的行为在所有的不同的相等机制方面保持一致。

基于值的相等和可变性契合的不总是那么好。一个问题是改变值可能引起GetHashCode的结果随时变化,如果这个对象被存放在哈希表中,就会出问题。我们没有不允许使用可变的record,但是我们不鼓励那样做,除非你已经想到了后果。

如果你不喜欢默认Equals重写的字段与字段比较行为,你可以进行重写。你只需要认真理解基于值的相等时如何在records中工作原理,特别是涉及到继承的时候。

除了熟悉的Equals,==和!=操作符之外,record还多了一个新的EqualityContract只读属性,该属性返回类型是Type类型,返回值默认为该record的类型。该属性用来在判断两个具有继承关系不同类型的record相等时,该record所依据的类型。下面我们看一个有关EqualityContract的例子,定义一个学生record,他继承自Person:

public record Student(string FirstName, string LastName, int Level) : Person(FirstName, LastName); 

这个时候,我们分别创建一个Person和Student实例,都用来描述同样的人:

Person p = new Person("Jerry", "Kang"); Person s = new Student("Jerry", "Kang", 1); WriteLine(p == s); // False 

这两者比较的结果是False,这与我们实际需求不相符。那么我们可以重写EqualityContract来实现两种相等:

public record Student(string FirstName, string LastName, int Level) : Person(FirstName, LastName) {     protected override Type EqualityContract     {         get => typeof(Person);     } } 

经过此改造之后,上面例子中的两个实例就会相等。EqualityContract的修饰符是依据下面情况确定的:

  • 如果基类是object, 属性是virtual;
  • 如果基类是另一个record类型,则该属性是override;
  • 如果基类类型是sealed,则该属性也是sealed的。

2.4.2 拷贝克隆与with表达式

一个record在编译的时候,会自动生成一个带有保护访问级别的“拷贝构造函数”,用来将现有record对象的字段值拷贝到新对象对应字段中:

protected Person(Person original) { /* 拷贝所有字段 */ } // 编译器生成 

with表达式就会引起拷贝构造函数被调用,然后应用对象初始化器来有限更改属性相应值。如果你不喜欢默认的产生的拷贝构造函数,你可以自定义该构造函数,编译器一旦发现有自定义的构造函数,就不会在自动生成,with表达式也会进行调用。

public record Person(string FirstName, string LastName) {     protected Person(Person original)     {         this.FirstName = original.FirstName;         this.LastName = original.LastName;     } } 

编译器默认地还会生成with表达式会使用的一个Clone方法用于创建新的record对象,这个方法是不能在record类型里面自定义的。
2.4.3 PrintMembers和ToString()方法
如果你用Console.WriteLine来输出record的实例,就会发现其输出与用class定义的类型的默认的ToString完全不同。其输出为各成员及其值组成的字符串:

Person {FirstName = Andy, LastName = Kang} 

这是因为,基于值相等的类型,我们更加关注于具体的值的情况,因此在编译record类型时会自动生成重写了ToString的行为的代码。针对record类型,编译器也会自动生成一个保护级别的PrintMembers方法,该方法用于生成各成员及其值的字符串,即上面结果中的红色字体部分。ToString中,就调用了PrintMembers来生成其成员字符串部分,其他部分即蓝色字体部分在ToString中补充。

我们也可以定义PrintMembers和重写ToString方法来实现自己想要的功能,如下面实现ToString输出为Json格式:

public record Person(string FirstName, string LastName) {     protected virtual bool PrintMembers(StringBuilder builder)     {         builder.Append(""FirstName"");         builder.Append(" : ");         builder.Append($""{ FirstName}"");         builder.Append(", ");         builder.Append(""LastName"");         builder.Append(" : ");         builder.Append($""{ LastName}"");         return true;     }      public override string ToString()     {         StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();         stringBuilder.Append("{");         if (PrintMembers(stringBuilder))         {             stringBuilder.Append(" ");         }         stringBuilder.Append("}");         return stringBuilder.ToString();     } } 

record因为都是继承自Object,因此ToString都是采用override修饰符。而PrintMembers方法修饰符是依据下面情况决定的:

  • 如果记录不是sealed而是从object继承的, 该方法是protected virtual;

  • 如果记录基类是另一个record类型,则该方法是protected override;

  • 如果记录类型是sealed,则该方法也是private的。

3 应用场景

3.1 Web Api

用于web api返回的数据,通常作为一种一次性的传输型数据,不需要是可变的,因此适合使用record。

3.2 并发和多线程计算

作为不可变数据类型record对于并行计算和多线程之间的数据共享非常适合,安全可靠。

3.3 数据日志

record本身的不可变性和ToString的数据内容的输出,不需要很多人工编写很多代码,就适合进行日志处理。

3.4 其他

其他涉及到有大量基于值类型比较和复制的场景,也是record的常用的使用场景。

4 结束语

在生产应用中,有着众多的使用场景,以便我们用record来替换写一个类。未知的还在等我们进一步探索。

如对您有价值,请推荐,您的鼓励是我继续的动力,在此万分感谢。关注本人公众号“码客风云”,享第一时间阅读最新文章。

C# 9.0新特性详解系列之五:记录(record)和with表达式

 

赞(0) 打赏
未经允许不得转载:张拓的天空 » C# 9.0新特性详解系列之五:记录(record)和with表达式
分享到: 更多 (0)

评论 抢沙发

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址

专业的IT技术经验分享 更专业 更方便

联系我们本站主机

觉得文章有用就打赏一下文章作者

支付宝扫一扫打赏

微信扫一扫打赏