Что нового в C# 8?

«Восьмерка» еще даже не вышла RTM а я уже пишу про нее пост. Зачем? Ну, основная идея что тот, кто предупрежден — вооружен. Так что в этом посте будет про то что известно на текущий момент, а если это все посдстава, ну, поделом.

Nullable Reference Types

Я не знаю, в курсе вы или нет, но дизайнеры всех современных языков «продолбали» как минимум несколько важных аспектов. Один из основных продолбов — это неинициализированные объекты, указатель на которые имеет значение NULL в С и nullptr в современном С++. Другой аспект — это zero-terminated strings, когда длина строки вычисляется за О(n). Но мы сейчас говорим за null.

C# это конечно тоже зацепило в расных испостасях, вот например:

public class Person
{
  public string FirstName { get; set; }
  public string LastName { get; set; }
  public string MiddleName { get; set; }
  public Person(string first, string last, string middle) =>
    (FirstName, LastName, MiddleName) = (first, last, middle);
  public string FullName =>
    $"{FirstName} {MiddleName[0]} {LastName}";
}

Пример выше очень хорошо иллюстрирует проблему. У человека может быть отчество но у меня, например, в паспорте его нет и следовательно непонятно что писать в это поле. Дефолтное значение строки в C# это null. Если интерполировать это значение в пустую строку ($ за кулисами делает string.Format()), ничего страшного не будет. Но если вы попробуете получить первую букву null-значения, вы получите исключение NRE (NullReferenceException).

Кардинального решения этой проблемы нет, т.к. если внезапно запретить null, придется написать 100500 статических проверок на инициализацию всех объектов во всех брэнчах конструктора. Или перейти полностью на Optional типы что, собственно, тоже не совсем решает проблему.

Системы статического анализа вроде Решарпера уже давно пытаются как-то облегчить участь разработчика, предупреждая о возможных косяках. Собственно для этого придумали аннотации (NuGet пакет JetBrains.Annotations) которые можно добавить в проект вот таким вот образом:

public class Person
{
  public string FirstName { get; set; }
  public string LastName { get; set; }
  [CanBeNull] public string MiddleName { get; set; }
  public Person(string first, string last, [CanBeNull] string middle) =>
    (FirstName, LastName, MiddleName) = (first, last, middle);
  public string FullName =>
    $"{FirstName} {MiddleName[0]} {LastName}";
}

Код выше заставляет системы статического анализа ругаться на возможный NRE в точке MiddleName[0].

Но Microsoft… как всегда берет то, что делает другие и банально копирует. Вообще есть шутка, что в долгосрочной перспективе VS просто скопирует все фичи Решарпера. А потом запретит плагины. Поэтому хорошо что есть райдер.

Короче, МС естественно не стали менять язык. Точнее как не стали, они конечно его поменяли. Вместо решарперных аннотаций, в C#8 можно написать вот так:

#nullable enable

Просто написав от эту штуку наверху файла вы меняете поведения компилятора. Теперь, при написании чего-то вроде

var p = new Person("Dmitri", "Nesteruk", null);

вы получите следующий warning:

1>NullableReferenceTypes.cs(26,48,26,52): warning CS8625: Cannot convert null literal to non-nullable reference or unconstrained type parameter.

Да-да, просто предупреждение, а не ошибку (хотя treat errors as warnings никто не отменял).

Ну да ладно, а что дальше? А дальше нам хочется как-то все-таки сказать C#, что теоретически MiddleName таки может быть null поэтому доступ с индексом [0] тоже нужно проверять.

Для этого мы меняем поле на вот такое:

public string? MiddleName;

Хмм, что это? Кому-то может показаться что string? эквивалентно Nullable<T>, но напомню что в этом типе, T : struct, так что очевидно это что-то другое. Этот вопросик — это всего лишь подсказка компилятору, т.к. по факту тип поля все еще обычный string.

Теперь компилятор выдаст вам еще один варнинг на доступ по индексу ноль. И чтобы оно заработало вам придется как-то перестраховаться, например написав:

public string FullName =>  $"{FirstName} {MiddleName?[0]} {LastName}";

Теперь самый важный вопрос: что же поменялось в IL? С точки зрения исполняемого кода — ничего! Но с точки зрения метаданных поменялось конечно: теперь в типе который использует nullable аннотации все типы которые являются nullable проаннотированы атрибутом [Nullable]. Сделано это по понятным причинам: чтобы потребители вашего кода могли использовать ваши аннотации.

Чувствительность к проверкам

Аннотации в C#8 работают в какой-то мере как Котлиновские смарт-касты. Иначе говоря, если у меня есть апи который выдает nullable-тип

string? s = GetString();

То конечно при попытке достучаться до первой буквы я получу warning. Но если я напишу так:

if (s != null){  char c = s[0];}

то варнингов не будет! Компилятор понимает, что мы сами сделали проверку и поэтому не стоит лишний раз возноваться. Насколько глубоко компилятор копает подобные сценарии я не проверял.

Предотвращение лишних проверок

Есть два способа отключить проверки на null. Первый — это просто писать код без «вопросиков», тем самым констатировав тот факт что все твои поля, параметры и так далее вообще ни при каких условиях null-ами быть не могут.

Второй подход — это явно сказать компилятору что в этой точке проверка не нужна. Вот несколько примеров:

• (null as Person).FullName конечно выдаст нам warning

• (null as Person)!.FullName warning уже не выдаст, т.к. мы явно просим не проверять выражение

• (null as Person)!!!!!!!!!!!!!.FullName тоже является валидным выражением и тоже отключает проверки

• (null as Person)!?.FullName тоже валидно и все же делает в этом случае проверку на null; примечательно что обратное использование, ?!, не скомпилируется

Проверки в либах

Естественно, то вся эта кухня имеет хоть какой-то смысл только при условии что BCL и прочие популярные библиотеки проаннотированны этими аннотациями. Ведь сейчас я могу написать

Type t = Type.GetType("abracadabra");Console.WriteLine(t.Name);

и не получить никакого предупреждения. Я-то знаю что Type.GetType() возвращает null когда даешь невалидное название типа, но поскольку BCL пока еще не размечена nullable аннотациями, компилятор это съедает.

И нет, мы не можем «форсировать» подобные проверки кодом вроде

Type t = Type.GetType("abracadabra");
Type? u = t;
Console.WriteLine(u.Name);

Код выше все равно не выдаст предупреждение. Очевидно, компилятор считает что t != null, следовательно u тоже не может быть равно null, сколько его не декорируй.

Итого

Nullable reference types — сомнительной полезности фича, которую еще рано использовать. Оригинальности в ней мало. В долгосрочной перспективе она, конечно, должна помочь нам как-то бороться с рисками nullability но глобально она проблему, как вы понимаете, не решает.

Индексы и Диапазоны

На матстатистке есть такое хороше упражнение: брать диапазон чисел, обладающих тем или иным распределением, преобразовывать его, и потом считать статистику по результату. Например, если X~N(0,1), чему равны E[X²] и V[X²]?

Диапазоны это очень хорошо, но дизайнерами сишарпа явно хотелось получить диапазоны в стиле Питона, а для этого пришлось ввести понятие «с конца».

Итак, у нас за кулисами появляются два новых типа: Index и Range.

Index

Вы никогда не задумывались, почему это индекс в массив обязательно int а не uint? Все просто: этот ваш пресловутый индекс это просто отступ от указателя на начало массива (привет Си). Поэтому он теоретически может быть отрицательным, хотя конечно в C# запись x[-1] лишена всякого смысла.

Некоторые языки позволяют брать элементы массива с конца с помощью отрицательных индексов. Но это немного криво т.к. последний элемент получит индекс -1 в связи с тем, что у нас нет понятия положительного и отрицательного нуля, нуль один.

В C# пошли другим путем и ввели новый синтаксис. Но, все по порядку. Для начала, ввели новый тип под названием Index который представляет индекс элемента в массиве, строке или вашей собственной коллекции:

Index i0 = 2; // implicit conversion

Индекс выше, как вы понимаете, будет ссылаться на третий элемент с начала той или иной коллекции.

У самого типа Index есть два свойства (зачем сделали свойства а не поля — тот еще вопрос):

• Value, то есть сколько элементов нужно отсчитать

• IsFromEnd — булевое значение, показывающее, нужно ли отсчитывать от конца коллекции а не от начала

Структуру можно инициализировать просто вызвав конструктор:

Index i1 = new Index(0, false);

Код выше, как вы поняли, берет первый элемент сначала. А вот последний элемент (то есть нулевой, но с конца) можно взять вот так:

var i2 = ^0; // Index(0, true)

Опаньки! Многие из вас наверное хотели, чтобы оператор ^ сделали возведением в степень (мне как математику эта идея комфортнее, LaTeX, все такое), но по факту это теперь специальный синтаксис для создания индекса «с конца».

Встроенные типы, такие как массивы или строки, конечно же поддерживают индексер (operator this[]) для типа Index, так что смело можно писать

var items = new[] { 1, 2, 3, 4, 5 };
items[^2] = 33; // 1, 2, 33, 4, 5

Range

Следующий кусочек этого паззла — это тип Range, который представляет из себя линейный, направленный строго по возрастанию диапазон индексов, строго с шагом 1. Для него тоже введен новый синтаксис:

X..Y

Что означает «все элементы от X включительно до Y». При этом, включает ли диапазон значение с индексом Y или нет — нельзя сказать не посмотрев на Y. Об этом очень скоро.

Итак, вот несколько примеров:

• var a = i1..i2; // Range(i1, i2) — полноценный диапазон с началом и концом

• var b = i1..; // Range(i1, new Index(0, true)); — диапазон от i1 и до конечного элемента

• var c = ..i2; // Range(new Index(0, false), i2) — диапазон от самого первого элемента и до индекса i2

• var e = ..; — вообще весь диапазон, то есть от первого и до последнего элемента

• Range.ToEnd(2); — эта и подобные статический функции — как раз то, что использует компилятор за кулисами; все это можно лицезреть, если открыть сборку в dotPeek, ilSpy или другом декомпиляторе

Включается ли конечный элемент?

Окей, знаете что в С++ толстым слоем разборсано неопределенное поведение (undefined behavior?). Ну так вот, в реализации Range в C# тоже затаился сюрприз. Суть примерно в следующем: последний элемент включается только если он взят «с конца».

Представьте массив x = {1, 2, 3}. Если взять x[0..2] вы получите {1, 2}, а вот если взять x[..2] или например x[..], вы получите {1, 2, 3}.

Это немного выносит мозг т.к. элементы x[2] и x[^1] — это одинаковые элементы, но семантика их поведения как часть Range-а разная!

Еще немного семантики

Во-первых, диапазон X..Y будет работать только если X <= Y (надеюсь вы включили лигатуры?). Если же вы решили сделать нисходящий диапазон (например 7..3), то вы просто получите ArgumentOutOfRangeException. Это очень неприятно т.к. часто хочется получить индексы массивы как некоторые выходные значения из функций, и проверять что диапазон восходящий ну совсем не хочется.

Во-вторых, «шаг» не включен в спеку, то есть нельзя написать 1..2..100 и получить только нечетные числа. А было бы удобно. Эта фича реализована в языках вроде MATLAB.

Range ведет себя в стандартных типах вот так:

• В массивах, он дает копию подмассива, прям копируя каждый элемент

• В строках происходит вызов Substring(). Строки в C# иммутабельные так что создается новая строка.

• На коллекциях можно вызывать AsSpan() передавая ему Range.

• В Span тоже можно засунуть Range — Span.Slice(), получив под-диапазон.

Конечно, вы можете также запилить поддержку Index/Range в своих собственных типах с помощью переопределения operator this[]. При этом нужно понимать, что не во всех коллекциях понятие «с конца» работает хорошо. Например, если у вас односвязный список (singly linked list), то брать что-то «с конца» — плохая идея.

Итого

Полезные в целом фичи, которые являются просто слоем синтаксического сахара который компилятор разворачивает в инициализацию разных struct-ов. Включительность-исключительность диапазонов в зависимости от того, «хвостовой» ли закрывающий индекс понравится не всем, как и невозможность обходить коллекции задом наперед.

И да, решарпероводам будет много всяких веселых инспекций:

Default Interface Members

Никто не рискует породить столько ненависти сколько реализация дефолтных интерфейс мемберов, то есть бархатное преврашение интрефейсов в абстрактные классы. И первый вопрос, на который нужно ответить — зачем?

Ну типичная мотивация такая. Вот допустим вы хотите сделать Enumerable.Count() — его конечно можно делать через while (x.MoveNext()) но это немного бредово для коллекций, чья длина известна заранее. Поэтому мы втыкаем в Count() проверки типа:

if (x is IList<T> list)
  return list.Count;

Логично? А как насчет IReadOnlyList<T>, для него такая оптимизация будет? Что значит «не сделали»?!?

Ситуация, приведенная выше наводит нас на вынужденное, очень грубое нарушение open-closed principle да и других принципов SOLID, т.к. делать проверки на все возможные типы ради оптимизация — это провальная затея.

А что можно сделать? Ну, можно было бы, чисто теоретически, как-то взять и добавить реализацию Count(), специфичную для IReadOnlyList<T>, прямо в интерфейс, возможно как метод расширения. Только это тоже не сработает! Откуда мы знаем что экстеншн-метод IReadOnlyList<T>.Count() является перегрузкой метода IEnumerable<T>.Count()? Правильно, не знаем! Нужен другой подход.

Именно этот подход и реализуют дефолтные методы интерфейсов. Они позволяют реализовать нечто, функционально-эквивалентное экстеншн-методам, но также поддающееся правилам наследования и виртуальных вызовов.

Тонкости использования

Но давайте для начала посмотрим на более приземленный пример:

public interface IHuman
{
  string Name { get; set; }
    
  public void SayHello() 
  {
    Console.WriteLine($"Hello, I am {Name}");
  }
}public class Human : IHuman
{
  public string Name { get;set; }
}

Пример выше искусственнен, но обязателен для понимания того, что вот так писать нельзя:

Human human = new Human() { Name = "John" };
human.SayHello(); // will not compile

Странно да? Вроде бы, валидный код. На самом деле нет — дело в том, что конкретный класс, хоть он и реализует тот или иной интерфейс, понятия не имеет о дефолтных методах этого интерфейса.

Почему, спросите вы? Потому, что вся соль этих методов в том, чтобы добавлять их пост фактум, когда вашим интерфейсом уже пользуются. А что если за это время класс Human обзавелся собственным SayHello()? Правильно, будет конфликт.

Поэтому дизайнеры приняли такое решение: дефолтные методы доступны только через сам интерфейс, то есть требуется явное или неявное приведение типа к интерфейсу:

IHuman human = new Human() { Name = "John" };
human.SayHello();
((IHuman)new Human { … }).SayHello();

Наследование интерфейсов

Все, что я описал выше, наводит нас на интересную мысль: если два интерфейса реализуют одинаковый метод Foo() (с деволтной реализацией), класс может реализовать оба этих интерфейса и получить две независимые реализации Foo(), обе из которых можно вызывать:

public interface IHuman
{
  string Name { get; set; }
  
  void SayHello() 
  {
    Console.WriteLine($"Hello, I am {Name}");
  }
}
public interface IFriendlyHuman : IHuman
{
  void SayHello()
  {
    Console.WriteLine(      $"Greeting, my name is {Name}");
  }
}
((IHuman)new Human()).SayHello();
// Hello, I am John
((IFriendlyHuman)new Human()).SayHello();
// Greeting, my name is John

Заметьте, что в коде выше IFriendlyHuman.SayHello() как бы должен override-ить IHuman.SayHello(), но этого не происходит! Что же нужно сделать чтобы вызов SayHello() стал действительно виртуальным? Нужно явно сказать об этом:

public interface IFriendlyHuman : IHuman
{
  void IHuman.SayHello()
  //   ↑↑↑↑↑↑
  {
    Console.WriteLine(      $"Greeting, my name is {Name}");
  }
}

Вот в этом случае вызов SayHello() на любом интерфейсе, будь то IHuman или IFriendlyHuman будет виртуальным и уже не важно, к какому из них вы скастовались:

((IHuman)new Human()).SayHello();
Greeting, my name is John
((IFriendlyHuman)new Human()).SayHello();
Greeting, my name is John

Diamond Inheritance

Естественно, в ситуации когда вы можете иметь два «честных override-а» в двух интерфейсах-наследниках породит конфликт в случае, если вы попытаетесь реализовать их оба:

interface ITalk { void Greet(); }
interface IAmBritish : ITalk
{
  void ITalk.Greet() => WriteLine("Good day!");
}
interface IAmAmerican : ITalk
{
  void ITalk.Greet() => WriteLine("Howdy!");
}
class DualNational : IAmBritish, IAmAmerican {}
// Error CS8705 Interface member 'ITalk.Greet()' does not have a most specific implementation. Neither 'IAmBritish.ITalk.Greet()', nor 'IAmAmerican.ITalk.Greet()' are most specific.

Проблема тут в том, что компилятор не может найти «более специфичный» (то есть, ниже в иерархии наследования) интерфейс для использования и, в результате равнозначности, не поймет что нужно делать если кто-то вызовет какой-нибудь IAmAmerican.Greet() — ведь по идее нужно гулять по виртуальной таблице, а куда идти-то, если варианта два?

Итого

Фича для писателей АПИ. Обычным пользователям скорее всего не стоит беспокоиться, особенно если вы, как я, контролируете весь свой код и вам не страшно в любой момент менять его API. Единственный реальный кейс — это когда вот прям нужно оверрайдить экстеншн-методы. У вас есть подобные юз-кейсы?

Pattern Matching

Эту фичу нагло крадут из F# уже на протяжении нескольких минорных релизов. Конечно — в F# ведь эта фича очень удобна, но она идет рука об руку с теми фичами, которых в С# нет, а именно алгебраические типы и функциональные списки.

Но несмотря на это, аналогом F#ного match стал С#ный switch. В C#8 все это обрастает дополнительными возможностями.

Property Matching

Если у объекта есть поля или свойства, можно мэтчить по ним:

struct PhoneNumber{
  public int Code, Number;
}
var phoneNumber = new PhoneNumber();
var origin = phoneNumber switch {
  { Number: 112 } => "Emergency",
  { Code: 44 } => "UK"
};

Код выше анализирует структуру объекта phoneNumber, проверяя его поля на конкретные значения. Заметьте что у нас не switch statement а switch expression, то есть выражение которое делает возврат лямбда-образным синтаксисом.

Несмотря на всю лаконичность, код выше — бажный, так как не отлавливает все кейсы. У дизайнеров было два выбора: либо молча сглатывать неохват паттерна делая default-init (иначе говоря, возвращать default(T) из свича у которого не замэтчился ни один паттерн) или же бросать исключение. Микрософт выбрали второе, так что если запустить код выше, мы просто получим:

Ну и системы статического анализа кода тоже в долгу не останутся:

Загадка

Поскольку мы можем между фигурных скобок анализировать все что угодно, мы можем сделать и кейс, где фигурные скобки пустые:

var origin = phoneNumber switch {
  { Number: 112 } => "Emergency",
  { Code: 44 } => "UK",
  { } => "Indeterminate",
  _ => "Missing"
};

Что это значит? Да то, что теперь есть 2 кейса: _ (подчеркивание), которое словит абсолютно любой результат, и {} которое отловит любой аргумент который не null.

Пример выше определенно покрывает все кейсы, так что исключение мы на нем не словим. А что насчет вот такого?

var origin = phoneNumber switch {
  { Number: 112 } => "Emergency",
  { Code: 44 } => "UK",
  { } => "Unknown"
};

Покрывает ли пример выше все варианты? Если phoneNumber это struct — то конечно да, но представим что это class. С одной стороны кто-то может сказать что да, не покрыли ситуацию с null, но… ведь есть nullable reference types!

Вот и получается, что покрытие всех вариантов зависит не только от типа объекта но еще и от контекста компилятора.

Рекурсивные паттерны

Все-таки с неймингом у МС получается ооочень плохо, прям фееричный булшит. Сначала nullable reference types — масло масляное, ибо референсные типы являются nullable по определению, но термин recursive patterns — это еще на порядок хуже.

В F#, поскольку там есть функциональные списки, можно рекурсивно проверять подсписки списка на соответствие паттернам. В C# же, этот термин значит совсем другое, причем как я уже сказал, нейминг этой фичи в C# — просто шлак.

Если коротко, «рекурсивные паттерны» в C# это возможность углубиться внутри структуры того или иного объекта и проверить еще и поля-полей, если так можно выразиться:

var personsOrigin = person switch {
  { Name: "Dmitri" } => "Russia",
  { PhoneNumber: { Code: 46 } } => "Sweden",
  { Name: var name } => $"No idea where {name} lives"
};

В примере выше проиллюстрированы сразу две идеи. Первая — это то, что можно углубиться в объект person.PhoneNumber и промэтчить его поле Code на значение 46. Вторая — это то что вместо мэтчинга можно задекларировать переменную и в нее записать найденное значение чтобы им с последствии пользоваться. Это тоже иногда бывает удобно, и конечно же работает в контексте этой надуманной «рекурсивности».

Валидация

Хорошее применение всей этой кухне: комплесная валидация разных аспектов одного сложного объекта в одном switch-е. Вот например:

var error = person switch {
  null => "Object missing",
  { PhoneNumber: null } => "Phone number missing entirely",
  { PhoneNumber: { Number: 0 } } => "Actual number missing",
  { PhoneNumber: { Code: var code } } when code < 0 => "WTF?",
  { } => null // no error
};
if (error != null)
  throw new ArgumentException(error);

Как видите, в коде выше идет несколько проверок: простые проверки с паттернами, плюс ключевое слово when для сложных сценариев когда иден не сравнение с одним значением, а нечто более хитрое.

Интеграция с проверками на типы

Проперти-паттерны можно «поженить» с проверками на типы которые появились одним сишарпом ранее. Теперь можно проверить на тип, а потом еще и распаковать структуру:

IEnumerable<int> GetMainOfficeNumbers()
{
  foreach (var pn in numbers)
  {
    if (pn is ExtendedPhoneNumber { Office: "main" })
      yield return pn.Number;
  }
}

В примере выше мы сначала проверяем тип номера телефона и, если он подходит, распаковываем его и проверяем что речь идет именно про главный офис. Очень удобно.

Деконструкция

Надеюсь вы не забыли про деконструкцию — фичу языка которая позволяет, по сути, распаковывати тип в кортеж. Для этого тип должен реализовывать метод Deconstruct() который просто выгружает содержимое типа в out-параметры.

Так вот, эту фичу тоже можно поженить с паттерн-мэтчингом и получить следующее:

var type = shape switch
{
  Rectangle((0, 0), 0, 0) => "Point at origin",
  Circle((0, 0), _) => "Circle at origin",
  Rectangle(_, var w, var h) when w == h => "Square",
  Rectangle((var x, var y), var w, var h) =>
    $"A {w}×{h} rectangle at ({x},{y})",
  _ => "something else"
};

Код выше распаковывает содержимое прямоугольника или круга в кортежные структуры, при этом есть варианты: либо заниматься паттерн-мэтчингом, либо просто деструктурировать объекты в переменные, как показано в последнем примере. Заметьте что этот процесс тоже является «рекурсивным» — у прямоугольника есть точка начала, которая деструктурируется в круглых скобках. Прочерк (_) используется для тех аспектов деструктуризации, которые нам не интересны.

Итого

Нужные и полезные возможности, которые найдут свое применение. Валидация и похожий анализ типов становится очень лаконичным.

Заключение

Что, я не все фичи показал? Ну, я и не обещал, вообщем-то. Для начала хватит. Пока язык не релизнули я могу еще чуток поисследовать. А если и вы хотите поисследовать, вам потребуется VS 2019 Preview (да-да, preview версия а не RTM), .NET Core 3 (многое из описанного выше попросту не поддерживается в .NET Framework), ну и dotPeek тоже будет полезен чтобы понять, что же там за кулисами.

У меня пока все. Продолжение (возможно) следует. ■

Автор: Дмитpий Hecтepук

Источник