C# 中的 null 包容運算符 “!” —— 概念、由來、用法和注意事項

在 2020 年的最后一天，博客園發起了一個開源項目：基於 .NET 的博客引擎 fluss，我抽空把源碼下載下來看了下，發現在屬性的定義中，有很多地方都用到了 null!，如下圖所示：

這是什么用法呢？之前沒有在項目中用過，所以得空就研究了一下。

以前，! 運算符用來表示 “否”，比如不等於 !=。在 C# 8.0 以后，! 運算符有了一個新意義—— null 包容運算符，用來控制類型的可空性。要了解 null 包容運算符，首先就要了解可為 null 的引用類型。

可為 null 的引用類型

C# 8.0 引入了可為 null 的引用類型，與可空類型補充值類型的方式一樣，它們以相同的方式補充引用類型。也就是說，通過將 ? 追加到某引用類型，可以將變量聲明為可以為 null 的引用類型。 例如，string? 表示可以為 null 的 string。使用這些新類型可以更清楚地表達代碼設計的意圖 —— 比如將某些變量聲明為 必須始終具有值，而其他一些變量聲明為 可以缺少值。

借助這個定義，我們在定義引用類型的變量或屬性時，便有了兩種選擇：

1. 假定引用不可以為 null。 當變量定義為不可以為 null 時，編譯器會強制執行規則——確保在不檢查它們是否為 null 的前提下，取消引用這些變量是安全的：
   • 變量必須初始化為非 null 值。
   • 變量永遠不能賦值為 null。
2. 假定引用可以為 null。 當變量定義為可以為 null 時，編譯器會強制執行不同的規則——確保您自己已正確檢查 null 引用：
   • 只有當編譯器可以保證該值不為 null 時，才可以取消引用該變量。
   • 這些變量可以用默認的 null 值進行初始化，也可以在其他代碼中賦值為 null。

與 C# 8.0 之前對引用變量的處理相比，這個新功能提供了顯著的優勢。在早期版本中，不能通過變量的聲明來確定設計意圖，編譯器沒有為引用類型提供針對 null 引用異常的安全性。

通過添加可為 null 的引用類型，您可以更清楚地聲明您的意圖。null 值是表示一個變量不引用值的正確方法，請不要使用此功能從代碼中刪除所有的 null 值。而是，應向編譯器和閱讀代碼的其他開發人員聲明您的意圖。通過聲明意圖，編譯器會在您編寫與該意圖不一致的代碼時警告您。

是不是讀起來有點繞？還是直接看示例比較容易理解些，請繼續往下看。首先，我們來

啟用可為 null 的引用類型

有三種方法可以啟用可為 null 的引用類型。

在項目文件中啟用

<Nullable>enable</Nullable>

將上面這一行添加到項目文件中，為當前項目啟用 可為 null 的引用類型，如下圖所示：

在自定義項目屬性中啟用

在 Directory.Build.props 文件中可以為目錄下的所有項目啟用 可為 null 的引用類型， 下面截圖是 fluss 項目中的設置：

使用預處理器指令啟用

可以使用 #nullable enable 和 #nullable disable 預處理器指令在代碼中的任意位置啟用和禁用 可為 null 的引用類型：

舉例說明

典型用法

假設有這個定義：

class Person
{
    public string? MiddleName;
}

如下這樣調用：

void LogPerson(Person person)
{
    Console.WriteLine(person.MiddleName.Length);  // 警告  CS8602  解引用可能出現空引用。
    Console.WriteLine(person.MiddleName!.Length); // 沒有警告
}

這個 ! 運算符其實就是關閉了編譯器的空檢查，它就是在告訴編譯器或者以后維護你代碼的同事：“我”肯定不是 null ，你不用做 null 安全檢查了。

內部運行機制

使用此運算符告訴編譯器可以安全地訪問可能為 null 的內容。您可以用它來表達在這種情況下“不關心” null 安全性。

當我們討論到 null 安全性時，一個變量可以有兩種狀態：

1. Nullable : 可以為 null。
2. Non-Nullable ：不可以為 null。

從 C# 8.0 開始，所有的引用類型默認都是 Non-nullable。

“可空性”可以通過以下兩個新的類型運算符進行修改：

1. ! ：從 Nullable 改為 Non-Nullable
2. ? ：從 Non-Nullable 改為 Nullable

這兩個運算符是相互對應的。您使用這兩個運算符限定變量，然后編譯器根據您的限定來確保 null 安全性。

? 運算符的用法

1. Nullable：string? x;
   • x 是引用類型，因此默認是不可以為 null 的。
   • 我們使用 ? 運算符將其改為可以為 null 的。
   • x = null; 賦值正常，沒有警告。
2. Non-Nullable：string y;
   • y 是引用類型，因此默認是不可以為 null 的。
   • y = null; 賦值會產生一個警告，因為您給一個聲明為不支持 null 的變量分配了一個 null 值。

如下圖：

! 運算符的用法

string x;
string? y = null;

1. x = y;
   • 非法！警告：將 null 文本或可能的 null 值轉換為不可為 null 類型（y 可能為 null）。
   • 賦值運算符 = 左邊是不可以為 null 的，但右邊是可以為 null 的。
2. x = y!;
   • 合法！
   • 賦值運算符 = 左右兩邊都是不可以為 null 的。
   • 因為 y! 使用了 ! 運算符到 y，使得右邊也變成了不可以為 null 的，所以賦值沒有問題。

如下圖：

⚠️ 警告： null 包容運算符 ! 僅在類型系統級別關閉編譯器檢查；在運行時，該值仍然可能是 null。

這是反模式的

C# 編程時應該盡量避免使用 null 包容運算符 !。

有一些有效的使用場景（在下面會介紹），比如單元測試，使用這個運算符是適合的。不過，在 99% 的情況下，使用替代解決方案會更好。請不要只是為了取消警告，而在代碼中打幾十個 !。要想清楚您的場景是否真的值得使用它。

💡 可以使用，但要小心使用。如果沒有實際的目的或使用場景，請不要使用它。

null 包容運算符 ! 抵消了您獲得的編譯器保證的 null 安全性的作用！

使用 ! 運算符將導致很難發現 bug。如果您定義了一個標記為不可以為 null 的屬性，您也就假定了可以安全地使用它。但是在運行時，您卻突然遇到 NullReferenceException 異常而撓頭，因為一個值在用 ! 繞過了編譯器檢查后，實際上卻變成了 null，這不是給自己添麻煩嗎？

既然這樣，那么，

為什么 ! 運算符會存在？

• 在某些邊緣情況下，編譯器無法檢測到可以為 null 的值實際上是不為 null 的。
• 使遺留代碼庫遷移更容易。
• 在某些情況下，您根本不關心某些內容是否為 null。
• 在進行單元測試時，您可能想要檢查傳遞 null 時的代碼行為。

接下來，我們繼續看下：

null! 是什么意思呢？

null! 是在告訴編譯器 null 不是 null 值，這聽起來很怪異，是不是？

實際上，它和上面例子中的 y! 一樣。它只是看起來挺怪異，因為它將該運算符用在了 null 字面量上，但概念是一樣的。

我們再來看一下文章開頭提到的 fluss 源碼中的一行代碼：

/// <summary>
/// 所屬的博客。
/// </summary>
public BlogSite BlogSite { get; set; } = null!;

這行代碼定義了一個名稱為 BlogSite、類型為 BlogSite 的不可以為 null 的類屬性。因為它是不可以為 null 的，因此單從技術上講，很明顯它是不可以被賦值為 null的。

但是，您可以通過使用 ! 運算符，將 BlogSite 屬性賦值為 null。因為，就編譯器所關心的 null 安全性而言，null! 不是 null。

總結

看到這里，想必您肯定已經明白了 null! 是什么意思，也學會了 null 包容運算符 ! 的概念、由來和用法。但是正如我在文中提到的那樣，編程時應該盡量避免使用 !，因為它抵消了您本可以獲得的編譯器保證的 null 安全性；而且，這種寫法閱讀起來有點讓人費解。

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有朋友說文章內容不太容易看懂，我補充兩張圖幫助理解一下：

C# 8.0之前：

C# 8.0之后：

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參考：

• https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/nullable-references
• https://stackoverflow.com/questions/54724304/what-does-null-statement-mean
• https://www.cnblogs.com/cmt/p/14217355.html
• https://www.meziantou.net/csharp-8-nullable-reference-types.htm

作者 ： 技術譯民
出品 ： 技術譯站