C# 7.0 新特性4： 返回引用

本文參考Roslyn項目中的Issue:#118。

　　1. C# 7.0 新特性1： 基於Tuple的“多”返回值方法

　　2. C# 7.0 新特性2： 本地方法

　　3. C# 7.0 新特性3： 模式匹配

　　4. C# 7.0 新特性4： 返回引用

C#早在最初的發行版C# 1.0中（2002年1月），就借鑒並延續了C/C++中指針參數，原生允許將值類型數據的引用（指針）通過標記ref參數的形式，傳遞到方法體中。

但對於方法內的值類型引用，該如何以引用的方式返回，卻一直以來沒有一個非常完美的解決方案，儘管這種用例非常少見。

提一個簡單的問題，我們需要獲取三個int中的最大值的引用。

我們照慣例，回顧下C#7.0之前的做法：

C/C++指針

我們回歸到C/C++中，這個問題沒有什麼好爭議的，實現起來會很理所應當的是這樣的：

1 int* Max(int* first, int* second, int* third) {
2   int* max = *first > *second ? first : second;
3   return *max > *third ? max : third;
4 }
5 ....
6 int a = 1, b = 2, c = 3;
7 int* max = Max(&a, &b, &c);
8 *max = 4; // c == 4;

下麵我們思考一下C#中怎麼合理的翻譯這段代碼。

/unsafe 指令

可能有的童鞋看到C/C++指針，已經想到了.NET編譯指令中，開啟/unsafe指令，它允許C#直接訪問記憶體。的確，只要在項目中勾選“Allow unsafe code”。

就可以通過下麵這種幾乎和C/C++中一致方式來做到：

 1 unsafe static int* Max(int* first, int* second, int* third)
 2 {
 3     int* max = *first > *second ? first : second;
 4     return *max > *third ? max : third;
 5 }
 6 ....
 7 int a = 1, b = 2, c = 3;
 8 unsafe
 9 {
10     int* max = Max(&a, &b, &c);
11     *max = 4; // c == 4
12 }

但unsafe並不是C# 推薦使用的，它繞過了CLR的記憶體安全機制，指針的不安全濫用會被允許，容易使你的指針指到各種非預期的目標，比如允許訪問已經返回(被釋放)的調用棧(call stack)，我們來做一個實驗。

 1 unsafe static int* GetRef()
 2 {
 3     //Some codes
 4     int i = 4;
 5     return &i;
 6 }
 7 unsafe static void Main(string[] args)
 8 {
 9     int* num = GetRef();
10     Console.WriteLine(*num); // 4
11     //Some codes
12     Console.WriteLine(*num); // 不可預期
13 }

這是非常典型的一種錯誤，當GetRef()的調用返回後，它的調用堆棧被釋放，我們嘗試獲取它本地的引用(num)時，如果GetRef遺留在記憶體的棧結構僥幸沒有被重新分配，我們依然可以獲取到。

但正常情況下，我們的邏輯一旦需要做一些其它處理（包括第一次Console.WriteLine()的調用本身），num所在的這塊不安全記憶體自然會被覆蓋。

雖然這是一段本身錯誤的代碼，但站在語言層面，並沒有做任何完全可以做的規避。（C/C++中同樣存在這個問題）

返回模型對象

當然，其實C#6.0及以前，我們還有一種比較常見的方案：將有必要返回引用的值類型封裝在一個寄宿模型類中。

由於對象以引用heap的地址傳遞，引用目標不在調用棧(call stack)上，不會由於函數返回而被釋放。

1 static HostModel Max(HostModel first, HostModel second, HostModel third)
2 {
3     HostModel max = first.Value > second.Value ? first : second;
4     return max.Value > third.Value ? max : third;
5 }

這種類似做法被廣泛應用在Model傳遞，DTO等場景中，無可厚非。。

但是如果在性能要求敏感，且數據和邏輯結構簡單的場景下，為一個簡單數據憑空多了一組裝箱和拆箱動作，以對象形式在heap中申請本沒有必要的記憶體，是一種非常浪費和奢侈的做法。

引用返回

C#7.0 中引入了引用返回(ref return)的概念，允許C#方法中返回一個值類型的引用。

Issue:#118。中給出了下麵的例子：

 1 static ref int Max(ref int first, ref int second, ref int third)
 2 {
 3     ref int max = first > second ? ref first : ref second;
 4     return max > third ? ref max : ref third;
 5 }
 6 …
 7 int a = 1, b = 2, c = 3;
 8 Max(ref a, ref b, ref c) = 4;
 9 Debug.Assert(a == 1); // true
10 Debug.Assert(b == 2); // true
11 Debug.Assert(c == 4); // true

這樣，我們通過C#7.0，能直接將調用棧（call stack）上的引用返回。

並且，對於體積較大的結構體（struct），返回引用比傳遞結構值要快很多，因為結構體的賦值會對整個結構進行拷貝。

另外需要註意的是，ref return的引用，在語言層面附加規則，不允許返回方法內的局部變數的引用，換句話說，被返回的堆棧地址，必須低於當前方法的入口地址。

總結

我們從另一個側面看這個feature，其實是對性能要求極致情況下出現的考慮，對於目前大多數的.NET應用中，其實用例非常局限，也並非以往.NET側重的方面。。

但是Roslyn項目在C#7.0設計初期就加入這個feature，是否隱含了更長遠的考量？

我們再看看微軟最近的新聞就不難理解了，本月初（6月1日）微軟在北京舉辦的開發者峰會上，Satya Nadella宣佈建立物聯網實驗室，峰會上還發佈了微軟的IoT套件。

近期微軟還發佈了Windows的IoT版本（Windows IoT）,剛剛發佈的.NET Core也允許跑在裝有Windows IoT 的 Raspberry PI（樹莓派）等設備上。

在這些對惜記憶體如金的端設備上，C#想要有一席用武之地，不可避免的需要一改以往對記憶體的任性的一些設計，也就可以理解了。這或許是C#7.0加入ref return的一個重要的原因。

本文鏈接：http://www.cnblogs.com/ylvict/p/5633480.html (轉載請註明)

目前(2016年7月)C#7.0還未正式發佈，大家如果想體驗部分特性，可以去下載VS15預覽版，最終發佈的語法可能和本文中提及的有所不同，最新動態請大家關註Roslyn項目。