Value Types ارجاعی در C# 7.2

اندازه‌ی قلم متن

تخمین مدت زمان مطالعه‌ی مطلب: هفت دقیقه

در C# 7.2 می‌توان با value types (مانند structs) همانند reference types (مانند کلاس‌ها) رفتار کرد. جائیکه کارآیی برنامه بسیار حائز اهمیت باشد (مانند بازی‌ها)، استفاده از structs و value types بسیار مرسوم است؛ از این جهت که این نوع‌ها بر روی heap تخصیص داده نمی‌شوند. اما مشکل آن‌ها این است که زمانیکه به متدها ارسال می‌شوند، مقدار آن‌ها ارسال خواهد شد و برای این منظور نیاز به ایجاد یک کپی جدید از آن‌ها می‌باشد. برای رفع این مشکل و کاهش سربار کپی کردن اشیاء، اکنون در C# 7.2 می‌توان value types را همانند reference types به متدها ارسال کرد.

واژه‌ی کلیدی جدید in

C# 7.2‌، واژه‌ی کلیدی جدیدی را به نام in جهت تعریف پارامترها، معرفی کرده‌است. زمانیکه از آن استفاده می‌شود به این معنا است که value type ارسالی به آن، توسط ارجاعی از آن، در اختیار متد قرار می‌گیرد و نه توسط مقدار کپی شده‌ی آن (حالت پیش‌فرض) و همچنین متد استفاده کننده‌ی از آن، مقدار این شیء را تغییر نمی‌دهد.
واژه‌ی کلیدی in مکمل واژه‌های کلیدی ref و out است که پیشتر به همراه زبان #C ارائه شده بودند:
- واژه‌ی کلیدی out: مقدار آرگومان مزین شده‌ی توسط آن، باید درون متد تنظیم شود و صرفا کاربرد ارائه‌ی یک خروجی اضافه‌تر توسط آن متد را دارد.
- واژه‌ی کلیدی ref: مقدار آرگومان مزین شده‌ی توسط آن، ممکن است درون متد تنظیم شود، یا خیر و همچنین توسط ارجاع به آن منتقل می‌شود.
- واژه‌ی کلیدی in: مقدار آرگومان مزین شده‌ی توسط آن، درون متد تغییر نخواهد کرد و همچنین توسط ارجاع به آن منتقل می‌شود.

برای مثال اگر پارامترهای value type متد زیر را از نوع in معرفی کنیم، امکان تغییر مقدار آن‌ها درون متد وجود نخواهد داشت:

public static int Add(in int number1, in int number2)
{
   number1 = 5; // Cannot assign to variable 'in int' because it is a readonly variable
   return number1 + number2;
}

و کامپایلر با صدور خطای readonly بودن پارامتر number1، از انجام اینکار جلوگیری می‌کند

واژه‌ی کلیدی جدید in تا چه اندازه‌ای بر روی کارآیی برنامه تاثیر دارد؟

زمانیکه یک value type را به متدی ارسال می‌کنیم، ابتدا به مکان جدیدی از حافظه کپی شده و سپس مقدار clone شده‌ی آن، به متد ارسال می‌شود. با استفاده از واژه‌ی کلیدی in، دقیقا همان ارجاع به مقدار اولیه، به متد ارسال خواهد شد؛ بدون ایجاد کپی اضافه‌تری از آن. برای بررسی تاثیر این عملیات بر روی کارآیی برنامه، می‌توان از BenchmarkDotNet استفاده کرد. برای این منظور ابتدا ارجاعی را به BenchmarkDotNet اضافه می‌کنیم:

<ItemGroup>
     <PackageReference Include="BenchmarkDotNet" Version="0.10.12" />
</ItemGroup>

سپس متدهایی را که قرار است کارآیی آن‌ها بررسی شوند، با ویژگی Benchmark مزین خواهیم کرد:

using BenchmarkDotNet.Attributes;

namespace CS72Tests
{
    public struct Input
    {
        public decimal Number1;
        public decimal Number2;
    }

    [MemoryDiagnoser]
    public class InBenchmarking
    {
        const int loops = 50000000;
        Input inputInstance = new Input();

        [Benchmark(Baseline = true)]
        public decimal RunNormalLoop_Pass_By_Value()
        {
            decimal result = 0M;
            for (int i = 0; i < loops; i++)
            {
                result = Run(inputInstance);
            }
            return result;
        }

        [Benchmark]
        public decimal RunInLoop_Pass_By_Reference()
        {
            decimal result = 0M;
            for (int i = 0; i < loops; i++)
            {
                result = RunIn(in inputInstance);
            }
            return result;
        }

        public decimal Run(Input input)
        {
            return input.Number1;
        }

        public decimal RunIn(in Input input)
        {
            return input.Number1;
        }
    }
}

در آخر برای اجرای آن خواهیم داشت:

static void Main(string[] args)
{
    var summary = BenchmarkRunner.Run<InBenchmarking>();

و در این حالت برنامه را باید توسط دستور «dotnet run -c release» اجرا کرد (اندازه گیری کارآیی در حالت release و نه دیباگ پیش‌فرض)
با این خروجی نهایی:

                      Method |      Mean |    Error |   StdDev | Scaled | Allocated |
---------------------------- |----------:|---------:|---------:|-------:|----------:|
 RunNormalLoop_Pass_By_Value | 280.04 ms | 2.219 ms | 1.733 ms |   1.00 |       0 B |
 RunInLoop_Pass_By_Reference |  91.75 ms | 1.733 ms | 1.780 ms |   0.33 |       0 B |

همانطور که ملاحظه می‌کنید، کارآیی برنامه در حالت استفاده‌ی از پارامترهای in، حداقل 3 برابر شده‌است.

امکان استفاده‌ی از واژه‌ی کلیدی in در حین تعریف متدهای الحاقی

در حین تعریف متدهای الحاقی، واژه‌ی کلیدی in باید پیش از واژه‌ی کلیدی this ذکر شود:

    public static class Factorial
    {
        public static int Calculate(in this int num)
        {
            int result = 1;
            for (int i = num; i > 1; i--)
                result *= i;

            return result;
        }
    }

در این حالت اگر برنامه را به صورت زیر اجرا کنیم (یکبار با ذکر صریح in، بار دیگر بدون in و یکبار هم به صورت فراخوانی متد الحاقی بر روی عدد):

int num = 3;
Console.WriteLine($"(in num) -> {Factorial.Calculate(in num)}");
Console.WriteLine($"(num) -> {Factorial.Calculate(num)}");
Console.WriteLine($"num. -> {num.Calculate()}");

خروجی‌های ذیل را دریافت خواهیم کرد:

(in num) -> 6
(num) -> 6
num. -> 6

به عبارتی حین فراخوانی و استفاده‌ی از متدی که پارامتر آن به صورت in تعریف شده‌است، ذکر in ضروری نیست.

و به طور کلی استفاده‌ی از in در مکان‌های ذیل مجاز است:
• methods
• delegates
• lambdas
• local functions
• indexers
• operators

محدودیت‌های استفاده‌ی از پارامترهای in

الف) محدودیت استفاده از پارامترهای in در تعریف overloads
مثال زیر را در نظر بگیرید:

    public class CX
    {
        public void A(Input a)
        {
            Console.WriteLine("int a");
        }

        public void A(in Input a)
        {
            Console.WriteLine("in int a");
        }
    }

در اینجا overloadهای تعریف شده‌ی متد A تنها در ذکر واژه‌ی کلیدی in یا modifier متفاوت هستند.
اگر سعی کنیم وهله‌ای از این کلاس را ایجاد کرده و از متدهای A آن استفاده کنیم:

    public class Y
    {
        public void Test()
        {
            var inputInstance = new Input();
            var cx = new CX();
            cx.A(inputInstance); // The call is ambiguous between the following methods or properties: 'CX.A(Input)' and 'CX.A(in Input)'
        }
    }

خطای کامپایلر مبهم بودن متد A مورد استفاده صادر خواهد شد. یعنی نمی‌توان overload ایی را تعریف کرد که تنها در modifier از نوع in با دیگری متفاوت باشد؛ چون ذکر in در حین فراخوانی متد، اختیاری است.

ب) پارامترهای از نوع in را در متدهای iterator نمی‌توان استفاده کرد:

public IEnumerable<int> B(in int a) // Iterators cannot have ref or out parameters
{
   Console.WriteLine("in int a");
   yield return 1;
}

ج) پارامترهای از نوع in را در متدهای async نمی‌توان استفاده کرد:

public async Task C(in int a) // Async methods cannot have ref or out parameters
{
   await Task.Delay(1000);
}

تاثیر کار با متدهای داخلی تغییر دهنده‌ی وضعیت یک struct

مثال زیر را درنظر بگیرید. به نظر شما خروجی آن چیست؟

using System;

namespace CS72Tests
{
    struct MyStruct
    {
        public int MyValue { get; set; }

        public void UpdateMyValue(int value)
        {
            MyValue = value;
        }
    }

    public static class TestInStructs
    {
        public static void Run()
        {
            var myStruct = new MyStruct();
            myStruct.UpdateMyValue(1);

            UpdateMyValue(myStruct);

            Console.WriteLine(myStruct.MyValue);
        }

        static void UpdateMyValue(in MyStruct myStruct)
        {
            myStruct.UpdateMyValue(5);
        }
    }
}

در اینجا اگر متد TestInStructs.Run را اجرا کنیم، خروجی آن، نمایش عدد 1 خواهد بود.
در ابتدا مقدار struct را به 1 تنظیم و سپس ارجاع آن‌را به متدی دیگر که مقدار آن‌را به 5 تنظیم می‌کند، ارسال کردیم. در این حالت برنامه بدون مشکل کامپایل و اجرا می‌شود. علت اینجا است که کامپایلر #C زمانیکه متدی را در داخل یک struct فراخوانی می‌کند، یک clone از آن struct را ایجاد کرده و متد را بر روی آن clone اجرا می‌کند؛ چون نمی‌داند که آیا این متد وضعیت و مقدار این struct را تغییر می‌دهد یا خیر. در این حالت کپی اصلی بدون تغییر باقی می‌ماند (در نهایت عدد 1 را مشاهده خواهیم کرد)، اما در آخر فراخوان، ارجاعی از struct را دریافت نکرده و بر روی کپی آن کار می‌کند. بنابراین مزیت بهبود کارآیی، از دست خواهد رفت.

البته در اینجا اگر می‌خواستیم مقدار MyValue را مستقیما تغییر دهیم، کامپایلر از آن جلوگیری می‌کرد و این کد هیچگاه کامپایل نمی‌شد:

static void UpdateMyValue(in MyStruct myStruct)
{
   myStruct.MyValue = 5; // Cannot assign to a member of variable 'in MyStruct' because it is a readonly variable
   myStruct.UpdateMyValue(5);
}

یک نکته‌ی تکمیلی: اضافه شدن پارامترهای از نوع ref readonly به C# 12

در انتهای نکته‌ی خروجی ref readonly عنوان شد که «در ابتدا قصد داشتند ref readonly را برای تعریف پارامترهای value type نیز بکار برند، اما این تصمیم با معرفی پارامترهای از نوع in جایگزین شد» اما ... مجددا به C# 12 اضافه شده‌است:
مثال زیر را درنظر بگیرید:

namespace CS8Tests;

public class RefReadonlySample
{
   public void Test()
   {
      var number = 5;
      Print(ref number);
      Console.WriteLine($"After Print -> Your number is {number}");
      
      // Output:
      // Print -> Your number is 5
      // After Print -> Your number is 6
   }
   
   private void Print(ref int number)
   {
      Console.WriteLine($"Print -> Your number is {number}");
      number++;
   }
}

در این مثال، ارجاعی از متغیر عددی number (که یک value type است) به کمک واژه‌ی کلیدی ref به متد Print ارسال شده و درون این متد، مقدار این متغیر تغییر کرده‌است که این تغییر به خارج از متد Print نیز منعکس می‌شود.
اگر بخواهیم از تغییرات پارامتر number در متد Print جلوگیری کنیم، می‌توان از واژه‌ی کلیدی in که در C# 7.2 ارائه شد، استفاده کرد:

 private void Print(in int number)

در این حالت در سطر ++number، به خطای زیر می‌رسیم:

error CS8331: Cannot assign to variable 'number' or use it as the right hand side of a ref assignment because it is a readonly variable

اکنون در C# 12 همین عمل را توسط واژه‌های کلیدی ref readonly نیز می‌توان پیاده سازی کرد:

private void Print(ref readonly int number)

خطایی را هم که گزارش می‌دهد، دقیقا همانند خطای ذکر شده‌ی واژه‌ی کلیدی in است.

سؤال: چرا این تغییر در C# 12 رخ داده‌است، زمانیکه واژه‌ی کلیدی in، دقیقا همین کار را انجام می‌داد؟
هدف، وضوح بیشتر API تولیدی و تاکید بر readonly بودن ارجاع دریافتی در این حالت و یکدستی قسمت‌های مختلف زبان است.
همچنین واقعیت این است که یک چنین قابلیت‌هایی، استفاده‌ی روزمره‌ای را در زبان #‍C ندارند و بیشتر هدف از وجود آن‌ها، استفاده از API کتابخانه‌های C++/C در زبان #C است. برای مثال بجای اینکه تمام ارجاعات فقط خواندنی آن‌ها را به پارامترهایی از نوع in تبدیل کنند (در کدهای قدیمی) که سبب بروز مشکلات عدم سازگاری می‌شود، اکنون می‌توانند به سادگی refهای قدیمی تعریف شده را ref readonly کنند؛ بدون اینکه استفاده کنندگان با مشکلی مواجه شوند.

Value Types ارجاعی در C# 7.2

مطالب مشابه

#

#

#