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.NET中可空值类型实现原理

2017-03-19 08:36 381 查看
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
HasValue
为
False
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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