深入浅析C# 11 对 ref 和 struct 的改进

简介

C# 11 是微软新推出的一项编程语言的更新版本，其中包含了对于 ref 和 struct 的一些优化改进。此次改进旨在提高代码的运行效率并降低代码运行的堆内存的占用。为了能够更好地理解这些改进，需要先了解 ref 和 struct 的相关知识。

ref 和 struct

在 C# 中，ref 和 struct 都是比较重要的概念。ref 是 C# 中的一种引用类型，它使得在函数中可以直接对变量进行修改，而不需要进行复制，提高了代码的运行效率；而 struct 是一种值类型，可以被看作是一种轻量级的类，实例的分配不需要用到堆，减少了堆内存的使用。

C# 11 对 ref 和 struct 的改进

Span 结构体的支持

Span 是 C# 7 引入的一种结构体，但在 C# 11 中，其得到了更多的扩展。Span 不占用堆内存，其作用是“暴力”化简代码，并且可以更好地规避内存泄漏的风险。通过对其进行改进，使其在 ref ／ in 形式中提供更多的支持。

示例 1：以下代码使用 Span 进行内存拷贝：

int[] array = new int[] {1, 2, 3, 4, 5};
Span<int> span = array;
Span<int> subSpan = span.Slice(start: 2, length: 2);
int[] newArray = subSpan.ToArray();

示例 2：以下代码使用 Span 进行缓冲区写入操作：

using System.Buffers;

const int size = 1024;
using var memoryPool = MemoryPool<byte>.Shared;
using var rented = memoryPool.Rent(size);
try
{
    var memory = rented.Memory;
    var span = memory.Span;
    FillBuffer(span);
    ProcessBufferNew(ref MemoryMarshal.GetReference(span), span.Length);

    void FillBuffer(Span<byte> buffer)
    {
        for (int i = 0; i < buffer.Length; i++)
        {
            buffer[i] = (byte)i;
        }
    }

    unsafe void ProcessBufferNew(ref byte startRef, int length)
    {
        fixed (byte* ptr = &startRef)
        {
            // 使用指针 ptr 进行读写操作
        }
    }
}
finally
{
    memoryPool.Return(rented);
}

ref struct 和 readonly struct 的扩展

在 C# 11 中，ref struct 和 readonly struct 的限制得到了进一步的放松。现在，可以在这些结构体中添加实例字段（以前只能添加静态字段），并将它们作为方法的返回值和参数使用。

示例 3：以下代码展示了如何将 ref struct 作为参数传递，并以 ref 返回值的形式计算它们的总和。

ref struct Log
{
    public void LogStatus(string msg) { /* implement */ }
    public int TotalErrors { get; private set; }

    // added fields in C# 11
    private int ErrorCount;
    private int WarnCount;
    public void LogError() => ++ErrorCount;
    public void LogWarning() => ++WarnCount;    
}

void UsingRefStruct(in Log log, ref int totalErrors)
{
    log.LogStatus("Processing logs...");

    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        // process log entry
        if (i == 25) log.LogError();
        if (i == 52) log.LogWarning();
    }

    log.LogStatus("Processing complete.");
    totalErrors = log.TotalErrors;
}

ref struct ErrorInfo
{
    public readonly string Message;
    public readonly DateTime TimeStamp;    
}

ref ErrorInfo GetErrorInfo()
{
    return new ErrorInfo { Message = "Error message", TimeStamp = DateTime.Now };
}

结语

C# 11 的改进使得在代码运行的过程中，结构体和引用类型的使用更加灵活，同时可以占用更少的内存。通过使用示例代码，实际操作一定会给开发者们带来更好的理解。