[CLR via C#]19. 可空值类型

　　我们知道，一个值类型的变量永远不可能为null。它总是包含值类型本身。遗憾的是，这在某些情况下会成为问题。例如，设计一个数据库时，可将一个列定义成为一个32位的整数，并映射到FCL的Int32数据类型。但是，数据库中的一个列可能允许值为空；用Microsoft .NET Framework处理数据库可能变得相当困难，因为在CLR中，没有办法将一个Int32值表示为null。
　　Microsoft ADO.NET的表适配器确实支持可空类型。但遗憾的是，System.Data.SqlType命名空间中的值类型没有用可空类型替换，部分原因是类型之间没有"一对一"的对应关系。例如，SqlDecimal类型对最大允许38位数，而普通的Decimal类型最大只允许29位数。
　　还有一个例子：在java中，java.util.Date类是一个引用类型，所以该类型的一个变量能设为null。但在CLR中，System.DateTime是一个值类型，一个DateTime变量永远都不能设为null。如果用java写的一个应用程序想和运行CLR的一个web服务交流日期/时间，那么一旦java发送了一个null，就会出问题，因为CLR不知道如何表示null，不知道如何操作它。
　　为了解决这个问题，Microsoft在CLR中引入了可空值类型(nullable value type)的概念。为了理解它们是如何工作的，先看一看System.Nullable<T>类。他是在FCL中定义的。以下是System.Nullable<T>类型定义的逻辑表示：

[Serializable]
[DebuggerStepThrough]
public struct Nullable<T> where T : struct
{
　　#region Sync with runtime code
　　//下面两个字段表示状态
　　internal T value;
　　internal bool has_value;
　　#endregion

　　public Nullable(T value)
　　{
　　　　this.has_value = true;
　　　　this.value = value;
　　}

　  public bool HasValue
　　{
　　　　get { return has_value; }
　　}

　　public T Value
　　{
　　 get
　　　　{
　　　　if (!has_value)
　　　　throw new InvalidOperationException("Nullable object must have a value.");

　　　　return value;
　　　　}
　　}

　　public override bool Equals(object other)
　　{
　　　　if (other == null)
　　　　return has_value == false;
　　　　if (!(other is Nullable<T>))
　　　　return false;

　　　　return Equals((Nullable<T>)other);
　　}

　　bool Equals(Nullable<T> other)
　　{
　　　　if (other.has_value != has_value)
　　　　return false;

　　　　if (has_value == false)
　　　　return true;

　　　　return other.value.Equals(value);
　　}

　　public override int GetHashCode()
　　{
　　　　if (!has_value)
　　　　return 0;

　　　　return value.GetHashCode();
　　}

　　public T GetValueOrDefault()
　　{
　　　　return value;
　　}

　　public T GetValueOrDefault(T defaultValue)
　　{
　　　　return has_value ? value : defaultValue;
　　}

　　public override string ToString()
　　{
　　　　if (has_value)
　　　　return value.ToString();
　　　　else
　　　　return String.Empty;
　　}

　　public static implicit operator Nullable<T>(T value)
　　{
　　　　return new Nullable<T>(value);
　　}

　　public static explicit operator T(Nullable<T> value)
　　{
　　　　return value.Value;
　　}

　　//
　　// These are called by the JIT
　　//
　　#pragma warning disable 169
　　//
　　// JIT implementation of box valuetype System.Nullable`1<T>
　　//
　　static object Box(T? o)
　　{
　　　　if (!o.has_value)
　　　　return null;

　　　　return o.value;
　　}

　　static T? Unbox(object o)
　　{
　　　　if (o == null)
　　　　return null;
　　　　return (T)o;
　　}
　　#pragma warning restore 169
}

　　可以看出，这个类封装了也可以为null的一个值类型的表示。由于Nullable<T>本身是一个值类型，所以它的实例仍然是"轻量级"的。也就是说，实例仍然在栈上，而且一个实例的大小就是原始值类型的大小加上一个Boolean字段的大小。注意，Nullable的类型参数T被约束为struct。这是由于引用类型的变量已经可以为null，所以没必要再去照顾它。.

　　现在，如果想要在代码中使用一个可空的Int32，就可以向下面这样写：

Nullable<Int32> x = 5;
Nullable<Int32> y = null;
Console.WriteLine("x: HasValue={0}, Value={1}",x.HasValue, x.Value);
Console.WriteLine("y: HasValue={0}, Value={1}",y.HasValue, y.GetValueOrDefault());

　　输出的结果为：

x: HasValue=True, Value=5
y: HasValue=False, Value=0

　　一、C#对可空值类型的支持
　　注意，C#允许在代码中使用简单的语法来初始化上述两个Nullable<Int32>变量x和y。事实上，C#开发团队希望将可空值类型集成到C#语言中，是它们成为"一等公民"。为此，C#提供了一个更清晰的语法来处理可空值类型。C#允许用问号表示法来声明并初始化x和y变量：

Int32? x =5;
Int32? y =null;

　　在C#中，Int32等价于Nullable<Int32>。但是，C#在此基础上更进一步，允许开发人员在可空实例上进行转换和转型。C#还允许开发人员向可空实例类型应用操作符。以下代码对此进行了演示;

private static void ConversionsAndCasting()
{
    // 从可空的 Int32 转换为 Nullable<Int32>
    Int32? a = 5;

    // 从'null'隐式转换为 Nullable<Int32>
    Int32? b = null;

    // 从 Nullable<Int32> 显示转换为 Int32
    Int32 c = (Int32)a;

    // 在可空基类型之间的转型
    Double? d = 5; // Int32 转型到 Double? (d是double类型 值为5)
    Double? e = b; // Int32? 转型到 Double? (e为 null)
}

　　C#还允许向可空实例应用操作符。下面是一些例子：

private static void Operators()
{
    Int32? a = 5;
    Int32? b = null;

    // 一元操作符 (+ ++ - -- ! ~)
    a++; // a = 6
    b = -b; // b = null

    // 二元操作符 (+ - * / % & | ^ << >>)
    a = a + 3; // a = 9
    b = b * 3; // b = null;

    // 相等性操作符 (== !=)
    if (a == null) { /* no */ } else { /* yes */ }
    if (b == null) { /* yes */ } else { /* no */ }
    if (a != b) { /* yes */ } else { /* no */ }

    // 比较操作符 (<, >, <=, >=)
    if (a < b) { /* no */ } else { /* yes */ }
}

　　下面总结了C#如何解析操作符：

　　* 一元操作符 操作符是null,结果也是null
　　* 二元操作符 两个操作符中任何一个是null，结果就是null。但有一个例外，它发生在将&和|操作符应用于Boolean?操作数的时候。在这种情况下，这两个操作符的行为和SQL的三值逻辑一样的。对于这两个操作符，如果两个操作符都不是null，那么操作符和平常一样工作。如果两个操作符都是null，结果就是null。特殊情况就是其中之一为null时发生。下面列出了针对操作符的各种true，false和null组合：

操作符→	true	false	null
操作符↓
true	& = true | = true	& = false |  = true	& = null |  = true
false	& = false |  = true	& = false |  = false	& = false |  = null
null	& = null |  = true	& = false |  = null	& = null |  = null

　　* 相等性操作 两个操作符都是null，两者相等。一个操作符为null，则两个不相等。两个操作数都不是null，就比较值来判断是否相等。
　　* 关系操作符 两个操作符任何一个是null，结果就是false。两个操作数都不是null，就比较值。

应该注意的是，操作符实例时会生成大量代码。例如以下方法：

private static Int32? NullableCodeSize(Int32? a, Int32? b) {
　　return (a + b);
}

　　在编译这个方法时，会生成相当多的IL代码，而且会使对可空类型的操作符慢于非可控类型执行的同样的操作。编译器生成的代码等价于以下C#代码：

private static Nullable<Int32> NullableCodeSize(
    Nullable<Int32> a, Nullable<Int32> b) {
    Nullable<Int32> nullable1 = a;
    Nullable<Int32> nullable2 = b;
    if (!(nullable1.HasValue & nullable2.HasValue)){
    return new Nullable<Int32>();
}
    return new Nullable<Int32>(nullable1.GetValueOrDefault() + nullable2.GetValueOrDefault());
}

　　19.2 C#的空结合操作符
　　C#提供了一个所谓的"空结合操作符"，即??操作符，它要获取两个操作符。假如左边的操作符不为null，就返回操作符这个操作符的值。如果左边的操作符为null，就返回右边的操作符的值。利用空接合操作符，可方便地设置的默认值。
　　空接合操作符的一个妙处在于，它既能用于引用类型也能用于可空值类型。以下代码演示了如何使用??操作符：

private static void NullCoalescingOperator() {
    Int32? b = null;

    // 下面这行等价于:
    // x = (b.HasValue) ? b.Value : 123
    Int32 x = b ?? 123; 
    Console.WriteLine(x); // "123"

    // 下面这行等价于：
    // String temp = GetFilename();
    // filename = (temp != null) ? temp : "Untitled";
    String filename = GetFilename() ?? "Untitled";
}

　　有人争辩说??操作符不过是?:操作符的"语法糖"而已，所以C#团队不应该将这个操作符添加到语言中。实际上，??提供了重大的语法上的改进。

　　第一个改进是??操作符能更好的支持表达式：

Func<String> f = () => SomeMethod ?? "Untitled";

　　相比下一行代码，上述代码更容易容易阅读和理解。下面这行代码要求进行变量赋值，而且用一个语句还搞不定：

Func<String> f = () => { var temp = SomeMethod(); return temp !=null ?temp : "Untitled"; }

　　第二个改进就是??在符合情形下更好用。例如，下面这行代码：

String s = SomeMethod() ?? SomeMethod2 ?? "Untitled";

　　它比下面这一堆代码更容易理解和阅读:

String s;
var sm1 = SomeMethod();
if (sm1 != null) s = sm1;
else {
var sm2 = SomeMethod2();
if (sm2 !=null) s = sm2;
else
s = "Untitled";
}

　　三、CLR对可空值类型的特殊支持
　　1.可空值类型的装箱
　　先假定有一个为null的Nullable<Int32>变量。如果将该变量传给一个期待获取一个Object的方法，那么该变量必须装箱，并将对已装箱的Nullable<Int32>的一个引用传给方法。但是，这在逻辑上讲不通，因为现在向方法传递的一个非null的值——而Nullable<Int32>变量逻辑上包含的是null值。为了解决这个问题，CLR会在装箱一个可空变量时执行一些特殊代码。
　　具体地说，当CLR对一个Nullable<T>实例进行装箱时，会检查它是否为null。如果是CLR不实际装箱任何内容，并返回null。如果可空类型实例不为null，CLR从可空实例中取出值，并对其进行装箱。也就是说，一个值为5的Nullable<Int32>会装箱成为值为5的一个已装箱的Int32。以下代码对这一行进行了演示：

private static void Boxing() {
    // 对Nullable<T>进行装箱，要么返回null，要么返回一个已装箱的T
    Int32? n = null;
    Object o = n; // o 为 null
    Console.WriteLine("o is null={0}", o == null); // "True"

    n = 5;
    o = n; // o 引用一个已装箱的Int32
    Console.WriteLine("o's type={0}", o.GetType()); //     "System.Int32"
}

　　其实在第一节中的Nullable<T>源码中已有显示，如：

static object Box(T? o)
{
    if (!o.has_value)
    return null;

    return o.value;
}

　　2. 可空值类型的拆箱
　　CLR允许将一个已装箱的值类型T拆箱为一个T或者一个Nullable<T>。如果对已装箱值类型的引用是null，而且要把它拆箱为一个Nullable<T>，那么CLR会将Nullable<T>的值设为null。以下代码进行了演示：

private static void Unboxing() {
    // 创建一个已装箱的Int32
    Object o = 5;

    // 把它拆箱为一个 Nullable<Int32> 和一个 Int32
    Int32? a = (Int32?)o; // a = 5
    Int32 b = (Int32)o; // b = 5

    // 创建初始化为null的一个引用
    o = null;
    // 把它"拆箱"为一个Nullable<Int32> 和一个 Int32
    a = (Int32?)o; // a = null
    b = (Int32) o; // NullReferenceException
}

　　同样的，在第一节中的Nullable<T>源码中已有显示，如：

static T? Unbox(object o)
{
    if (o == null)
    return null;

    return (T)o;
}

　　3.通过可空值类型调用GetType

　　在一个Nullable<T>对象上调用GetType时，CLR实际上会"撒谎"说类型是T，而不是Nullable<T>。以下代码演示了这一行为:

private static void GetTypeOfNullable() {
    Int32? x = 5;

    // 下面会显示"System.Int32"而不是"System.Nullable<Int32>"
    Console.WriteLine(x.GetType());
}

　　4. 通过可空值类型调用接口方法

　　在下面代码中，将一个Nullable<Int32>类型的变量n转型为一个接口类型IComparable<Int32>。然而，Nullable<T>不像Int32那样实现了IComparable<Int32>接口。C#编译器允许这样的代码通过编译，而且CLR的校验器也会认为这样的代码是可验证的，从而允许我们使用一种更简洁的语法：

Int32? n = 5;
Int32 result = ((IComparable<Int32>)n).CompareTo(5); // 能顺利通过编译和允许
Console.WriteLine(result); // 0

假如CLR没有提供这一特殊支持，那么为了在一个可空值类型上调用接口方法，就要写非常繁琐的代码。首先必须转型对已拆箱的值类型，然后才能转型为接口以发出调用：

result = ((IComparable)(Int32)n).CompareTo(5); // 这太繁琐了
Console.WriteLine(result); // 0