.NET中可空值类型【Nullable<T>】实现原理

为了让.Net中的值类型可以赋值为null，微软特地添加了Nullable<T>类型，也可简写为T?。但是Nullable<T>自身是结构体，也是值类型，那么它是如何实现将null赋值给值类型的呢？

下面通过自定义一个可空值类型来讲解Nullable<T>的实现原理。

自定义可空值类型

struct XfhNullable<T> where T : struct
{
  private T innerValue;
  //这个属性很重要
  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;
  }
}

一个可空值类型的结构体大致功能已经定义好了，下面我们来创建可空值类型的实例来验证下。

using static System.Console;
class Program
{
  static void Main()
  {
    //使用结构体默认的无参构造函数进行实例化
    XfhNullable<int> num = new XfhNullable<int>();
    WriteLine(num.HasValue);
    WriteLine(null_num.GetValueOrDefault());
  }
}

可以看到，变量num并不含有值，调用GetValueOrDefault()则会获取它的默认值 0；

这时我们将null赋值给变量num会发现编译器报错Cannot convert null to 'XfhNullable<int>' because it is a non-nullable value type这是因为编译器把我们定义的结构体XfhNullable<T>看作是普通值类型而非可空值类型，所以我们还要添加可空值类型和XfhNullable<T>之间的转换功能。

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

上面的代码实现了可空值类型向XfhNullable<T>的隐式转换，添加上面代码之后发现编译器不再报错。XfhNullable<T>已经成为一个可为null的值类型。

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

XfhNullable<T>中的属性HasValue的作用就是标记当前类型是否为null，若是则返回False，否则返回True。当HasValue为False时调用该类型的Value属性则会抛出异常InvalidOperationException。但可调用GetValueOrDefault()方法来获取类型的默认值。

Nullable<T>类型可以通过运算符==来判断值是否为null，我们也可以通过运算符重载来实现该功能：

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);
}

接下来，我们来实现普通值类型和XfhNullable<T>之间的转换：

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类型隐式转换为XfhNullable<int>类型
  WriteLine(null_num == null);
  WriteLine(null_num.Value);
  int i = (int)null_num;//XfhNullable<int>类型强制转换为int类型
  WriteLine(i);
}

获取实例在运行时的类型：

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

这个返回值不大友好，我们希望这里返回内置的值类型，System.Int32，具体实现代码如下：

//因为Object类中的GetType方法不允许子类重写（避免子类隐藏自己的实际类型）
//所以这里使用关键字new来隐藏Object类中的GetType方法
public new Type GetType()
{
  return innerValue.GetType();
}

结论：没有可为空的值类型

至此，我们已经自定义了一个可为空的值类型XfhNullable<T>，通过以上代码，我们不难发现所谓可为空的值类型是不存在的，它是通过属性HasValue来对null值进行标记的，其内部通过字段innerValue（该字段对应Nullable<T>中的value字段）来维护该类型的值，若被赋值为null则innerValue初始化为值类型的初始值。换句话说，Nullable<T>只是在逻辑层面上实现了把null赋值给值类型，给我们一种值类型可为null的感觉。

最后说下可空值类型的装箱与拆箱。

CLR在对Nullable<T>实例执行装箱操作时首先检查它是否为null，若是则CLR不装箱任何东西而是直接返回null；若实例的值不是null则获取该实例的值（Value属性）并对这个值进行装箱操作。

拆箱时，对于null则返回一个Nullable<T>()实例，对于一个具体的数值，如5，则返回Nullable<T>(5)实例。

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