.NET中可空值類型實現原理

為了讓.Net中的值類型可以賦值為null，微軟特地添加了Nullable<T>類型，也可簡寫為T?。但是Nullable<T>自身是結構體，也是值類型，那么它是如何實現將null賦值給值類型的呢？

下面通過自定義一個可空值類型來講解Nullable<T>的實現原理。

自定義可空值類型

struct XfhNullable<T> where T : struct
{
    private T innerValue;
    //這個屬性很重要
    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;
    }
}

一個可空值類型的結構體大致功能已經定義好了，下面我們來創建可空值類型的實例來驗證下。

using static System.Console;

class Program
{
    static void Main()
    {
        //使用結構體默認的無參構造函數進行實例化
        XfhNullable<int> num = new XfhNullable<int>();
        WriteLine(num.HasValue);
        WriteLine(null_num.GetValueOrDefault());
    }
}

可以看到，變量num並不含有值，調用GetValueOrDefault()則會獲取它的默認值 0；

 

這時我們將null賦值給變量num會發現編譯器報錯Cannot convert null to 'XfhNullable<int>' because it is a non-nullable value type這是因為編譯器把我們定義的結構體XfhNullable<T>看作是普通值類型而非可空值類型，所以我們還要添加可空值類型和XfhNullable<T>之間的轉換功能。

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

上面的代碼實現了可空值類型向XfhNullable<T>的隱式轉換，添加上面代碼之后發現編譯器不再報錯。XfhNullable<T>已經成為一個可為null的值類型。

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

XfhNullable<T>中的屬性HasValue的作用就是標記當前類型是否為null，若是則返回False，否則返回True。當HasValue為False時調用該類型的Value屬性則會拋出異常InvalidOperationException。但可調用GetValueOrDefault()方法來獲取類型的默認值。

 

Nullable<T>類型可以通過運算符==來判斷值是否為null，我們也可以通過運算符重載來實現該功能：

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);
}

 

接下來，我們來實現普通值類型和XfhNullable<T>之間的轉換：

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類型隱式轉換為XfhNullable<int>類型
    WriteLine(null_num == null);
    WriteLine(null_num.Value);
    int i = (int)null_num;//XfhNullable<int>類型強制轉換為int類型
    WriteLine(i);
}

 

獲取實例在運行時的類型：

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

這個返回值不大友好，我們希望這里返回內置的值類型，System.Int32，具體實現代碼如下：

//因為Object類中的GetType方法不允許子類重寫（避免子類隱藏自己的實際類型）
//所以這里使用關鍵字new來隱藏Object類中的GetType方法
public new Type GetType()
{
    return innerValue.GetType();
}

 

結論：沒有可為空的值類型

至此，我們已經自定義了一個可為空的值類型XfhNullable<T>，通過以上代碼，我們不難發現所謂可為空的值類型是不存在的，它是通過屬性HasValue來對null值進行標記的，其內部通過字段innerValue（該字段對應Nullable<T>中的value字段）來維護該類型的值，若被賦值為null則innerValue初始化為值類型的初始值。換句話說，Nullable<T>只是在邏輯層面上實現了把null賦值給值類型，給我們一種值類型可為null的感覺。

最后說下可空值類型的裝箱與拆箱。
CLR在對Nullable<T>實例執行裝箱操作時首先檢查它是否為null，若是則CLR不裝箱任何東西而是直接返回null；若實例的值不是null則獲取該實例的值（Value屬性）並對這個值進行裝箱操作。
拆箱時，對於null則返回一個Nullable<T>()實例，對於一個具體的數值，如5，則返回Nullable<T>(5)實例。

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