一探即将到来的 C# 10

前言

本来因为懒不想写这篇文章，但是不少人表示有兴趣，于是最后决定还是写一下。

.NET 6 最近几个预览版一直都在开发体验（如 hot reload、linker 等）、平台支持（如 Android、iOS 等）、工具链（如 crossgen2、PGO 工具和 wasm 的 AOT 等）、JIT（如 LSRA、Jump threading、PGO 和 guarded devirtualization 以及使 struct 保持在寄存器上等）、GC（如 Regions 等）以及 BCL（如 TimeOnly、DateOnly 以及 Json DOM 等）方面做改进，然而却一直没有公布 C# 10 的任何内容，即使在 Build 2021 大会上也没有提及这方面内容。然而实际上不少特性的实现已经接近尾声了，那么让我们提前来看看 C# 10 可以为我们带来什么东西。

当然，不是所有下面列出的特性都一定会进入 C# 10，也可能会和本文有所出入，我在每一个特性后面加了一个百分比表示最终实装的可能性，仅供参考。

Backing Fields（60%）

相信不少人在编写属性的时候，因为自动属性不能满足自己的需求于是不得不改回手动实现属性，这个时候总是会想“如果能不用手动写字段的定义就好了”，现在这个梦想成真了：

private int myInt;
public int MyInt { get => myInt; set => myInt = value; }

C# 10 中新增了一个 field，当使用它时会自动为属性创建字段定义，不需要再手动定义字段了，因此也叫做半自动属性。

public int MyInt { get => field; set => field = value; }

Record Structs（100%）

Records 此前只支持 class，但是现在同样支持 struct 啦，于是你可以定义值类型的 record，避免不必要的堆内存分配：

record struct Point(int X, int Y);

with on Anonymous Objects（80%）

此前 with 只能配合 records 使用，但是现在它被扩展到了匿名对象上，你可以通过 with 来创建匿名对象的副本并且修改它的值啦：

var foo = new { A = 1, B = "test", C = 4.4 };
var bar = foo with { A = 3 };
Console.WriteLine((bar.A, bar.B, bar.C)); // (3, test, 4.4)

Global Usings（80%）

此前 using 语句的生效范围是单个文件的，如果你想使用一些 namespace，或者定义一系列的类型别名在整个项目内使用，那么你就需要这样：

using System.Linq;
using static System.Math;
using i32 = System.Int32;
using i64 = System.Int64;

然后在每个文件中重复一遍。但是现在不需要了，你可以定义全局的 using 了：

global using System.Linq;
global using static System.Math;
global using i32 = System.Int32;
global using i64 = System.Int64;

然后在整个项目中就都可以用了。

File Scoped Namespace（90%）

C# 10 开始你将能够在文件顶部指定该文件的 namespace，而不需要写一个 namespace 然后把其他代码都嵌套在大括号里面，毕竟绝大多数情况下，我们在写代码时一个文件里确实只会写一个 namespace，这样可以减少一层嵌套也是很不错的：

namespace MyProject;

class MyClass
{
    // ...
}

如果采用这样的写法，每一个文件将只能声明一个 namespace。

Constant Interpolated String（100%）

顾名思义，常量字符串插值：

const string a = "foo";
const string b = $"{a}_bar"; // foo_bar

常量字符串插值将在编译时完成。

Lambda Improvements（100%）

C# 10 大幅度改进了 lambda，扩展了使用场景，并改进了一系列的推导，提出自然委托类型，还函数上升至 first-class。

支持 Attributes

f = [Foo] (x) => x; // 给 lambda 设置
f = [return: Foo] (x) => x; // 给 lambda 返回值设置
f = ([Foo] x) => x; // 给 lambda 参数设置

支持显示指定返回值类型

此前 C# 的 lambda 返回值类型靠推导，C# 10 开始允许在参数列表最前面显示指定 lambda 类型了：

f = int () => 4;

支持 ref 等修饰

f = ref int (ref int x) => ref x; // 返回一个参数的引用

First-class Functions

方法可以被隐式转换到 Delegate，使得函数上升至 first-class。

Delegate f = 1.GetHashCode; // Func<int>
object g = 2.ToString; // object(Func<string>)
var s = (int x) => x; // Func<int, int>

将函数作为变量，然后传给另一个函数的参数：

void Foo(Func<int> f)
{
    Console.WriteLine(f());
}

int Bar()
{
    return 5;
}

var baz = Bar;
Foo(baz);

Natural Delegate Types

lambda 现在会自动创建自然委托类型。

可以用 var 来创建委托了：

var f = () => 1; // Func<int>
var g = string (int x, string y) => $"{y}{x}"; // Func<int, string, string>
var g = "test".GetHashCode; // Func<int>

调用 lambdas

得益于上述改进，创建的类型明确的 lambda 可以直接调用了。

var zero = ((int x) => x)(0); // 0

Caller Expression Attribute（80%）

现在，CallerArgumentExpression 这个 attribute 终于有用了。借助这个 attribute，编译器会自动填充调用参数的表达式字符串，例如：

void Foo(int value, [CallerArgumentExpression("value")] string? expression = null)
{
    Console.WriteLine(expression + " = " + value);
}

当你这样调用时：

Foo(4 + 5);

会输出 4 + 5 = 9。这对测试极其有用，因为你可以输出 assert 的原表达式了：

static void Assert(bool value, [CallerArgumentExpression("value")] string? expr = null)
{
    if (!value) throw new AssertFailureException(expr);
}

default 支持解构（100%）

default 现在支持解构了，因此可以给 tuples 直接赋值。

(int a, int b, int c) = default; // (0, 0, 0)

List Patterns（100%）

Pattern Matching 的最后一块版图：list patterns，终于补齐了。

void Foo(List<int> list)
{
    switch (list)
    {
        case [4]:
            Console.WriteLine("长度为 4");
            break;
        case { 1, 2, 3 }:
            Console.WriteLine("元素是 1, 2, 3");
            break;
        case { 1, 2, ..var x, 5 }:
            Console.WriteLine($"前两个元素是 1, 2，最后一个元素是 5，倒数第二个元素是 {x}");
            break;
        default:
            Console.WriteLine("其他");
    }
}

同样的，该 pattern 也是 recursive 的，因此你可以嵌套其他 patterns。

除了上述 switch statements 的用法，在 if 以及 switch expressions 等地方也同样可用，例如：

void Foo(List<int> list)
{
    var result = list switch
    {
        [4] => ...,
        { 1, 2, 3 } => ...,
        { 1, 2, ..var x, 5 } => ...,
        _ => ...
    };
}

Abstract Static Member in Interfaces（100%）

C# 10 中，接口可以声明抽象静态成员了，.NET 的类型系统正式具备 virtual static dispatch 能力。

例如，你想定义一个可加而且有零的接口 IMonoid：

interface IMonoid<T> where T : IMonoid<T>
{
    abstract static T Zero { get; }
    abstract static T operator+(T l, T r);
}

然后可以对其进行实现，例如这里的 MyInt：

public class MyInt : IMonoid<MyInt>
{
    public MyInt(int val) { Value = val; }
    
    public static MyInt Zero { get; } = new MyInt(0);
    public static MyInt operator+(MyInt l, MyInt r) => new MyInt(l.Value + r.Value);
    
    public int Value { get; }
}

然后就能写出一个方法对 IMoniod<T> 进行求和了，这里为了方便写成扩展方法：

public static class IMonoidExtensions
{
    public static T Sum<T>(this IEnumerable<T> t) where T : IMonoid<T>
    {
        var result = T.Zero;
        foreach (var i in t) result += i;
        return result;
    }
}

最后调用：

List<MyInt> list = new() { new(1), new(2), new(3) };
Console.WriteLine(list.Sum().Value); // 6

这个特性同样也会对 .NET BCL 做出改进，会新增诸如 IAddable<T>、INumeric<T> 的接口，并为适用的已有类型实现。

总结

以上就是在 C# 10 的大部分新特性介绍了，虽然不保证最终效果和本文效果一致，但是也能看到一个大概的方向。

从 interface 的改进上我们可以看到一个好的预兆：.NET 终于开始动类型系统了。2008 年至今几乎没有变过的 CTS 显然逐渐不能适应语言发展的需要，而 .NET 团队也明确给出了信息表明要在 C# 11 前后对类型系统集中进行改进，现在只是一个开始，相信不久之后也将能看到 traits、union types、bottom types 和 HKT 等的实装。