.NET中可空值类型实现原理

为了让.Net中的值类型可以赋值为null,微软特地添加了Nullable<T>类型,也可简写为T?。但是Nullable<T>自身是结构体,也是值类型,那么它是如何实现将null赋值给值类型的呢?

下面通过自定义一个可空值类型来讲解Nullable<T>的实现原理。

自定义可空值类型

struct XfhNullable<T> where T : struct
{
    private T innerValue;
    //这个属性很重要
    public bool HasValue { set; get; }
    public T Value
    {
        get
        {
            return HasValue ? innerValue: throw new InvalidOperationException();
        }
    }

    public XfhNullable(T value)
    {
        this.innerValue= value;
        HasValue = true;
    }

    public T GetValueOrDefault(T value)
    {
        return HasValue ? this.innerValue: value;
    }
    public T GetValueOrDefault()
    {
        return this.innerValue;
    }
}

一个可空值类型的结构体大致功能已经定义好了,下面我们来创建可空值类型的实例来验证下。

using static System.Console;

class Program
{
    static void Main()
    {
        //使用结构体默认的无参构造函数进行实例化
        XfhNullable<int> num = new XfhNullable<int>();
        WriteLine(num.HasValue);
        WriteLine(null_num.GetValueOrDefault());
    }
}

可以看到,变量num并不含有值,调用GetValueOrDefault()则会获取它的默认值 0;

这时我们将null赋值给变量num会发现编译器报错Cannot convert null to 'XfhNullable<int>' because it is a non-nullable value type这是因为编译器把我们定义的结构体XfhNullable<T>看作是普通值类型而非可空值类型,所以我们还要添加可空值类型和XfhNullable<T>之间的转换功能。

public static implicit operator XfhNullable<T>(T? nullabelValue)
{
    if (nullabelValue== null)
    {
        return new XfhNullable<T>();
    }
    return new XfhNullable<T>(nullabelValue.Value);
}

上面的代码实现了可空值类型向XfhNullable<T>的隐式转换,添加上面代码之后发现编译器不再报错。XfhNullable<T>已经成为一个可为null的值类型。

static void Main()
{
    XfhNullable<int> null_num = null;
    WriteLine(null_num.HasValue);
}

XfhNullable<T>中的属性HasValue的作用就是标记当前类型是否为null,若是则返回False,否则返回True。当HasValueFalse时调用该类型的Value属性则会抛出异常InvalidOperationException。但可调用GetValueOrDefault()方法来获取类型的默认值。

Nullable<T>类型可以通过运算符==来判断值是否为null,我们也可以通过运算符重载来实现该功能:

public static bool operator ==(XfhNullable<T> cn, object obj)
{
    if (cn.HasValue)
    {
        return false;
    }
    return true;
}
public static bool operator !=(XfhNullable<T> cn, object obj)
{
    return !(cn == obj);
}
static void Main()
{
    XfhNullable<int> null_num = null;
    WriteLine(null_num == null);
}

接下来,我们来实现普通值类型和XfhNullable<T>之间的转换:

public static implicit operator XfhNullable<T>(T value)
{
    return new XfhNullable<T>(value);
}
public static explicit operator T(XfhNullable<T> value)
{
    return value.innerValue;
}
static void Main()
{
    XfhNullable<int> null_num = null;
    null_num = 12;//int类型隐式转换为XfhNullable<int>类型
    WriteLine(null_num == null);
    WriteLine(null_num.Value);
    int i = (int)null_num;//XfhNullable<int>类型强制转换为int类型
    WriteLine(i);
}

获取实例在运行时的类型:

static void Main()
{
    XfhNullable<int> null_num = 12;
    WriteLine(null_num.GetType());
}

这个返回值不大友好,我们希望这里返回内置的值类型,System.Int32,具体实现代码如下:

//因为Object类中的GetType方法不允许子类重写(避免子类隐藏自己的实际类型)
//所以这里使用关键字new来隐藏Object类中的GetType方法
public new Type GetType()
{
    return innerValue.GetType();
}

结论:没有可为空的值类型

至此,我们已经自定义了一个可为空的值类型XfhNullable<T>,通过以上代码,我们不难发现所谓可为空的值类型是不存在的,它是通过属性HasValue来对null值进行标记的,其内部通过字段innerValue(该字段对应Nullable<T>中的value字段)来维护该类型的值,若被赋值为null则innerValue初始化为值类型的初始值。换句话说,Nullable<T>只是在逻辑层面上实现了把null赋值给值类型,给我们一种值类型可为null的感觉

最后说下可空值类型的装箱与拆箱。 CLR在对Nullable<T>实例执行装箱操作时首先检查它是否为null,若是则CLR不装箱任何东西而是直接返回null;若实例的值不是null则获取该实例的值(Value属性)并对这个值进行装箱操作。 拆箱时,对于null则返回一个Nullable<T>()实例,对于一个具体的数值,如5,则返回Nullable<T>(5)实例。

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