你所不知道的 C# 中的細節

前言

有一個東西叫做鴨子型別，所謂鴨子型別就是，只要一個東西表現得像鴨子那麼就能推出這玩意就是鴨子。

C# 裡面其實也暗藏了很多類似鴨子型別的東西，但是很多開發者並不知道，因此也就沒法好好利用這些東西，那麼今天我細數一下這些藏在編譯器中的細節。

不是只有 Task 和 ValueTask 才能 await

在 C# 中撰寫非同步程式碼的時候，我們經常會選擇將非同步程式碼包含在一個 Task 或者 ValueTask 中，這樣呼叫者就能用 await 的方式實現非同步呼叫。

西卡西，並不是只有 Task 和 ValueTask 才能 await。Task 和 ValueTask 背後明明是由執行緒池參與排程的，可是為什麼 C# 的 async/await 卻被說成是 coroutine 呢？

因為你所 await 的東西不一定是 Task/ValueTask，在 C# 中只要你的類別中包含 GetAwaiter() 方法和 bool IsCompleted 屬性，並且 GetAwaiter() 返回的東西包含一個 GetResult() 方法、一個 bool IsCompleted 屬性和實作了 INotifyCompletion，那麼這個類別的物件就是可以 await 的 。

因此在封裝 I/O 操作的時候，我們可以自行實作一個 Awaiter，它基於底層的 epoll/IOCP 實作，這樣當 await 的時候就不會建立出任何的執行緒，也不會出現任何的執行緒排程，而是直接讓出控制權。而 OS 在完成 I/O 呼叫後透過 CompletionPort (Windows) 等通知使用者態完成非同步呼叫，此時恢復上下文繼續執行剩餘邏輯，這其實就是一個真正的 stackless coroutine。

public class MyTask<T>
{
    public MyAwaiter<T> GetAwaiter()
    {
        return new MyAwaiter<T>();
    }
}

public class MyAwaiter<T> : INotifyCompletion
{
    public bool IsCompleted { get; private set; }
    public T GetResult()
    {
        throw new NotImplementedException();
    }
    public void OnCompleted(Action continuation)
    {
        throw new NotImplementedException();
    }
}

public class Program
{
    static async Task Main(string[] args)
    {
        var obj = new MyTask<int>();
        await obj;
    }
}

事實上，.NET Core 中的 I/O 相關的非同步 API 也的確是這麼做的，I/O 操作過程中是不會有任何執行緒分配等待結果的，都是 coroutine 操作：I/O 操作開始後直接讓出控制權，直到 I/O 操作完畢。而之所以有的時候你發現 await 前後執行緒變了，那只是因為 Task 本身被排程了。

UWP 開發中所用的 IAsyncAction/IAsyncOperation 則是來自底層的封裝，和 Task 沒有任何關係但是是可以 await 的，並且如果用 C++/WinRT 開發 UWP 的話，返回這些介面的方法也都是可以 co_await 的。

不是只有 IEnumerable 和 IEnumerator 才能被 foreach

經常我們會寫如下的程式碼：

foreach (var i in list)
{
    // ......
}

然後一問為什麼可以 foreach，大多都會回覆因為這個 list 實作了 IEnumerable 或者 IEnumerator。

但是實際上，如果想要一個物件可被 foreach，只需要提供一個 GetEnumerator() 方法，並且 GetEnumerator() 返回的物件包含一個 bool MoveNext() 方法加一個 Current 屬性即可。

class MyEnumerator<T>
{
    public T Current { get; private set; }
    public bool MoveNext()
    {
        throw new NotImplementedException();
    }
}

class MyEnumerable<T>
{
    public MyEnumerator<T> GetEnumerator()
    {
        throw new NotImplementedException();
    }
}

class Program
{
    public static void Main()
    {
        var x = new MyEnumerable<int>();
        foreach (var i in x)
        {
            // ......
        }
    }
}

不是只有 IAsyncEnumerable 和 IAsyncEnumerator 才能被 await foreach

同上，但是這一次要求變了，GetEnumerator() 和 MoveNext() 變為 GetAsyncEnumerator() 和 MoveNextAsync()。

其中 MoveNextAsync() 返回的東西應該是一個 Awaitable，至於這個 Awaitable 到底是什麼，它可以是 Task/ValueTask，也可以是其他的或者你自己實作的。

class MyAsyncEnumerator<T>
{
    public T Current { get; private set; }
    public MyTask<bool> MoveNextAsync()
    {
        throw new NotImplementedException();
    }
}

class MyAsyncEnumerable<T>
{
    public MyAsyncEnumerator<T> GetAsyncEnumerator()
    {
        throw new NotImplementedException();
    }
}

class Program
{
    public static async Task Main()
    {
        var x = new MyAsyncEnumerable<int>();
        await foreach (var i in x)
        {
            // ......
        }
    }
}

ref struct 要怎麼實作 IDisposable

眾所周知 ref struct 因為必須在堆疊上且不能被裝箱，所以不能實作介面，但是如果你的 ref struct 中有一個 void Dispose() 那麼就可以用 using 語法實作物件的自動銷毀。

ref struct MyDisposable
{
    public void Dispose() => throw new NotImplementedException();
}

class Program
{
    public static void Main()
    {
        using var y = new MyDisposable();
        // ......
    }
}

不是只有 Range 才能使用切片

C# 8 引入了 Ranges，允許切片操作，但是其實並不是必須提供一個接收 Range 型別參數的 indexer 才能使用該特性。

只要你的類別可以被計數（擁有 Length 或 Count 屬性），並且可以被切片（擁有一個 Slice(int, int) 方法），那麼就可以用該特性。

class MyRange
{
    public int Count { get; private set; }
    public object Slice(int x, int y) => throw new NotImplementedException();
}

class Program
{
    public static void Main()
    {
        var x = new MyRange();
        var y = x[1..];
    }
}

不是只有 Index 才能使用索引

C# 8 引入了 Indexes 用於索引，例如使用 ^1 索引倒數第一個元素，但是其實並不是必須提供一個接收 Index 型別參數的 indexer 才能使用該特性。

只要你的類別可以被計數（擁有 Length 或 Count 屬性），並且可以被索引（擁有一個接收 int 參數的索引器），那麼就可以用該特性。

class MyIndex
{
    public int Count { get; private set; }
    public object this[int index]
    {
        get => throw new NotImplementedException();
    }
}

class Program
{
    public static void Main()
    {
        var x = new MyIndex();
        var y = x[^1];
    }
}

給型別實作解構

如何給一個型別實作解構呢？其實只需要寫一個名字為 Deconstruct() 的方法，並且參數都是 out 的即可。

class MyDeconstruct
{
    private int A => 1;
    private int B => 2;
    public void Deconstruct(out int a, out int b)
    {
        a = A;
        b = B;
    }
}

class Program
{
    public static void Main()
    {
        var x = new MyDeconstruct();
        var (o, u) = x;
    }
}

不是只有實作了 IEnumerable 才能用 LINQ

LINQ 是 C# 中常用的一種整合查詢語言，允許你這樣寫程式碼：

from c in list where c.Id > 5 select c;

但是上述程式碼中的 list 的型別不一定非得實作 IEnumerable，事實上，只要有對應名字的擴充方法就可以了，比如有了叫做 Select 的方法就能用 select，有了叫做 Where 的方法就能用 where。

class Just<T> : Maybe<T>
{
    private readonly T value;
    public Just(T value) { this.value = value; }

    public override Maybe<U> Select<U>(Func<T, Maybe<U>> f) => f(value);
    public override string ToString() => $"Just {value}";
}

class Nothing<T> : Maybe<T>
{
    public override Maybe<U> Select<U>(Func<T, Maybe<U>> _) => new Nothing<U>();
    public override string ToString() => "Nothing";
}

abstract class Maybe<T>
{
    public abstract Maybe<U> Select<U>(Func<T, Maybe<U>> f);

    public Maybe<V> SelectMany<U, V>(Func<T, Maybe<U>> k, Func<T, U, V> s)
        => Select(x => k(x).Select(y => new Just<V>(s(x, y))));

    public Maybe<U> Where(Func<Maybe<T>, bool> f) => f(this) ? this : new Nothing<T>();
}

class Program
{
    public static void Main()
    {
        var x = new Just<int>(3);
        var y = new Just<int>(7);
        var z = new Nothing<int>();

        var u = from x0 in x from y0 in y select x0 + y0;
        var v = from x0 in x from z0 in z select x0 + z0;
        var just = from c in x where true select c;
        var nothing = from c in x where false select c;
    }
}