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C#元组类型ValueTuple用法详解

时间：2022-09-14 09:14:57 | 栏目：.NET代码 | 点击：次

System.Tuple 类型是在.NET 4.0中引入的，但是有两个明显的缺点：
(1) Tuple 类型是引用类型。
(2) 没有构造函数支持。

为了解决这些问题，C# 7 引入了新的语言功能以及新的类型。

现在，如果您需要从函数中返回两个值的合并结果，或者把两个值合并到一个哈希表中，可以使用System.ValueTuple类型并使用一个精短的语法来构造它们：

    // 构建元组实例
    var tpl = (1, 2);
                
    // 在字典中使用元组
    var d = new Dictionary<(int x, int y), (byte a, short b)>();
     
    // 不同名称的元组是兼容的
    d.Add(tpl, (a: 3, b: 4));
     
    // 元组值的语义
    if (d.TryGetValue((1, 2), out var r))
    {
        // 解构元组忽略第一个元素
        var (_, b) = r;
                    
        // 使用命名语法和定义名称
        Console.WriteLine($"a: {r.a}, b: {r.Item2}");
    }

System.ValueTuple 类型在.NET Framework 4.7中引入。但是您仍然可以在较低的框架版本中使用这个功能，这时候，您必须引用一个特殊的nuget包：System.ValueTuple。

我们马上就会明白上面几点。

元组名称

缺少用户定义的名称导致System.Tuple类型不常用。我们可以将System.Tuple用作一个精减方法的实现细节，但如果我们需要传递它，我更喜欢使用具有描述性属性名称的命名类型。新元组功能很好地解决了这个问题：可以为元组元素指定名称，而不像匿名类型，即使在不同的程序集中也可以使用这些名称。

C#编译器为方法签名中使用的每个元组类型指定了一个特殊的标记TupleElementNamesAttribute：

TupleElementNamesAttribute标记非常特殊，不能在用户代码中直接使用。如果您尝试使用它，编译器会报出错误。

    public (int a, int b) Foo1((int c, int d) a) => a;
 
    [return: TupleElementNames(new[] { "a", "b" })]
    public ValueTuple<int, int> Foo(
        [TupleElementNames(new[] { "c", "d" })] ValueTuple<int, int> a)
    {
        return a;
    }

这有助于IDE和编译器“检查”元素名称，并警告错误地使用它们：

    // 正确: 元组声明可以跳过元素名称
    (int x, int y) tpl = (1, 2);
     
    // 警告: 由于目标类型“(int x, int y)”指定了其他名称或未指定名称，因此元组元素名称“a”被忽略。
    tpl = (a:1, b:2);
     
    // 正确 ：元组解构忽略元素名称
    var (a, b) = tpl;
     
    // x: 2, y: 1. 元组名被忽略
    var (y, x) = tpl;

编译器对继承的成员有较强的要求：

    public abstract class Base
    {
        public abstract (int a, int b) Foo();
        public abstract (int, int) Bar();
    }
     
    public class Derived : Base
    {
        // 错误：替代继承成员“Base.Foo()”时无法更改元组元素名称
        public override (int c, int d) Foo() => (1, 2);
        // 错误：替代继承成员“Base.Bar()”时无法更改元组元素名称
        public override (int a, int b) Bar() => (1, 2);
    }

常规方法参数可以在重写成员中自由更改，重写成员中的元组元素名称应该与基本类型中的元素名称完全匹配。

元素名称推断

C# 7.1 引入了一个额外的增强功能：元素名称推断类似于C#为匿名类型所做的推断。

    public void NameInference(int x, int y)
    {
        // (int x, int y)
        var tpl = (x, y);
     
        var a = new {X = x, Y = y};
     
        // (int X, int Y)
        var tpl2 = (a.X, a.Y);
    }

值语义和可变性

元组是公共字段可变的值类型。这听起来令人担忧，因为我们知道可变值类型被认为是有害的。这是一个邪恶的小例子：

    var x = new { Items = new List<int> { 1, 2, 3 }.GetEnumerator() };
    while (x.Items.MoveNext())
    {
        Console.WriteLine(x.Items.Current);
    }

如果运行这个代码，您会得到一个无限循环。List<T>.Enumerator是一个可变值类型，但是Items是属性。这意味着x.Items在每个循环迭代中返回原始迭代器的副本，从而导致无限循环。

但是只有当数据与行为混合在一起时，可变值类型才是危险的：枚举器拥有一个状态（当前元素）并具有行为（通过调用MoveNext方法来推进迭代器的能力）。这种组合可能会导致问题，因为在副本上调用方法而不是在原始实例上调用方法，从而导致无效操作。下面是一组由于值类型的隐藏副本而导致不明显行为的示例：gist。

但可变性问题依然存在：

    var tpl = (x: 1, y: 2);
    var hs = new HashSet<(int x, int y)>();
    hs.Add(tpl);
     
    tpl.x++;
    Console.WriteLine(hs.Contains(tpl)); // false

元组在字典中作为键是非常有用的，并且由于适当的值语义可以存储在哈希表中。但是您不应该在集合的不同操作之间改变一个元组变量的状态。

解构

虽然元组的构造函数对于元组来说非常特殊的，但是解构非常通用，并且可以与任何类型一起使用。

    public static class VersionDeconstrucion
    {
        public static void Deconstruct(this Version v, out int major, out int minor, out int build, out int revision)
        {
            major = v.Major;
            minor = v.Minor;
            build = v.Build;
            revision = v.Revision;
        }
    }
     
    
    var version = Version.Parse("1.2.3.4");
    var (major, minor, build, _) = version;
     
    // Prints: 1.2.3
    Console.WriteLine($"{major}.{minor}.{build}");

解构使用“鸭子类型（duck-typing）”的方法：如果编译器可以找到一个方法调用Deconstruct给定的类型 - 实例方法或扩展方法 - 类型即是可解构的。

元组别名

一旦您开始使用元组，很快就会意识到想在源代码的多个地方“重用”一个元组类型，但这并没有什么问题。首先，虽然C#不支持给定类型的全局别名，不过您可以使用“using”别名指令，它会在一个文件中创建一个别名；其次，您不能将元组指定别名：

//您不能这样做：编译错误
using Point = (int x, int y);
 
// 但是您可以这样做
using SetOfPoints = System.Collections.Generic.HashSet<(int x, int y)>;

github上有一个关于“使用指令中的元组类型”的讨论。所以，如果您发现自己在多个地方使用一个元组类型，你有两个选择：保持复制粘贴或创建一个命名的类型。

命名规则

下面是一个有趣的问题：我们应该遵循什么命名规则来处理元组元素？Pascal规则喜欢ElementName还是骆峰规则elementName？一方面，元组元素应该遵循公共成员的命名规则（即PascalCase），但另一方面，元组只是包含变量的变量，变量应该遵循骆峰规则。

如果元组被用作参数或方法的返回类型使用PascalCase规则，并且如果在函数中本地创建元组使用camelCase规则，可以考虑使用基于用法和使用的不同命名方案。但我更喜欢总是使用camelCase。

总结

我发现元组在日常工作中非常有用。我需要不止一个函数返回值，或者我需要把一对值放入一个哈希表，或者字典的Key非常复杂，我需要用另一个“字段”来扩展它。

我甚至使用它们来避免与方法类似的ConcurrentDictionary.TryGetOrAdd的闭包分配，需要额外的参数。在许多情况下，状态也是一个元组。

该功能是非常有用的，但我还想看到一些增强功能：

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