C#高性能开发之类型系统：从C# 7.0 到C# 14的类型系统演进全景

自C# 7.0以来，C#语言在类型系统方面引入了众多新数据类型、类型构造和语言特性，以提升性能、类型安全性和开发效率。本文全面整理了从C# 7.0到C# 14.0（截至2025年4月，C# 14.0为预览版）类型系统的新增内容，包括值元组、Span、ReadOnlySpan、Memory、ReadOnlyMemory、可空引用类型、记录、本机大小整数、记录结构、内联数组，以及其他增强（如只读结构、泛型数学支持）。

版本概览

以下是C# 7.0至C# 14.0中类型系统新增或增强的主要内容：

以下按版本逐一详述，每节包含特性表格、代码示例和分析。

C# 7.0：值元组

特性表格

概述

值元组基于System.ValueTuple，允许方法返回多个值，支持命名元素和解构，简化数据传递。

语法

• 声明：(type1, type2, ...) tupleName = (value1, value2, ...);
• 命名元素：(type1 name1, type2 name2, ...) tupleName = (value1, value2, ...);
• 解构：var (var1, var2, ...) = tupleName;

示例代码

public (int id, string name) GetPerson(){    return (1, "Alice");}var person = GetPerson();Console.WriteLine($"ID: {person.id}, Name: {person.name}");// 解构var (id, name) = GetPerson();Console.WriteLine($"ID: {id}, Name: {name}");

适用场景

• 方法返回多个相关值。
• 临时数据分组，无需定义类或结构。
• 解构赋值，简化代码。

注意事项

• 值类型，适合轻量数据。
• .NET Framework项目需引用System.ValueTuple NuGet包。

C# 7.2：Span, ReadOnlySpan, 只读结构, 引用结构

特性表格

概述

Span和ReadOnlySpan是高性能值类型，表示连续内存块引用，适合数组和本机内存操作。readonly struct确保结构体不可变，ref struct限制为栈分配，支持Span等类型。

语法

• Span:Span span = collection.AsSpan();
• ReadOnlySpan:ReadOnlySpan
• 只读结构:readonly struct StructName { ... }
• 引用结构:ref struct StructName { ... }

示例代码

// Span 和 ReadOnlySpanint[] numbers = [1, 2, 3, 4, 5];Span span = numbers.AsSpan(1, 3);span[0] = 10;Console.WriteLine(string.Join(", ", span.ToArray())); // 10, 3, 4ReadOnlySpan text = "Hello".AsSpan();Console.WriteLine(text.Slice(0, 2).ToString()); // He// 只读结构readonly struct Point{    public int X { get; init; }    public int Y { get; init; }}Point point = new() { X = 1, Y = 2 };Console.WriteLine($"({point.X}, {point.Y})"); // (1, 2)// 引用结构ref struct Buffer{    public Span Data;    public Buffer(Span data) => Data = data;}Buffer buffer = new(numbers.AsSpan());buffer.Data[0] = 10;Console.WriteLine(numbers[0]); // 10

适用场景

• 高性能字符串解析、缓冲区处理。
• 不可变数据结构（只读结构）。
• 避免堆分配（引用结构）。

注意事项

• Span和ReadOnlySpan不可用于异步方法。
• ref struct限制严格，需管理生命周期。

C# 8.0：可空引用类型, Memory, ReadOnlyMemory

特性表格

概述

可空引用类型通过?后缀指定引用类型是否可为null，减少空引用异常。Memory和ReadOnlyMemory表示托管内存块，支持异步场景。

语法

• 可空引用类型:string? nullable; string nonNullable;
• Memory:Memory memory = collection.AsMemory();
• ReadOnlyMemory:ReadOnlyMemory readOnlyMemory = collection.AsMemory();

示例代码

// 可空引用类型#nullable enablestring nonNullable = "Hello";string? nullable = null;if (nullable != null){    Console.WriteLine(nullable.Length);}// Memory 和 ReadOnlyMemoryint[] numbers = [1, 2, 3, 4, 5];Memory memory = numbers.AsMemory(1, 3);Span span = memory.Span;span[0] = 10;Console.WriteLine(string.Join(", ", memory.ToArray())); // 10, 3, 4ReadOnlyMemory text = "Hello".AsMemory();Console.WriteLine(text.Slice(0, 2).Span.ToString()); // He

适用场景

• 增强空值安全性（可空引用类型）。
• 异步内存操作（Memory）。
• 只读数据传递（ReadOnlyMemory）。

注意事项

• 可空引用类型需显式启用。
• Memory生命周期需管理。

C# 9.0：记录, 本机大小整数, 初始化器专用类型

特性表格

概述

记录是具有值语义的引用类型，自动实现相等性。nint和nuint支持本机大小整数。init修饰符增强属性不可变性。

语法

• 记录:public record ClassName(type1 Property1, ...);
• 本机大小整数:nint nativeInt; nuint nativeUInt;
• init-only:public type Property { get; init; }

示例代码

// 记录public record Person(string FirstName, string LastName);var person1 = new Person("Alice", "Smith");var person2 = new Person("Alice", "Smith");Console.WriteLine(person1 == person2); // Truevar person3 = person1 with { LastName = "Johnson" };Console.WriteLine(person3); // Person { FirstName = Alice, LastName = Johnson }// 本机大小整数nint nativeInt = 42;nuint nativeUInt = 42u;Console.WriteLine($"Native int: {nativeInt}, Native uint: {nativeUInt}");// 初始化器专用类型public class Student{    public string Name { get; init; }}var student = new Student { Name = "Alice" };Console.WriteLine(student.Name); // Alice

适用场景

• 数据传输对象（记录）。
• 本机代码互操作（nint, nuint）。
• 不可变数据模型（init-only）。

注意事项

• 记录支持继承，需保持值语义。
• 本机大小整数平台依赖。

C# 10.0：记录结构, 全局 using 指令

特性表格

概述

记录结构将记录特性扩展到值类型，结合值语义和性能。全局using简化类型引用。

语法

• 记录结构:public record struct StructName(type1 Property1, ...);
• 全局 using: global using System;

示例代码

// 记录结构public record struct Point(int X, int Y);var point1 = new Point(1, 2);var point2 = new Point(1, 2);Console.WriteLine(point1 == point2); // Truevar point3 = point1 with { X = 3 };Console.WriteLine(point3); // Point { X = 3, Y = 2 }// 全局 using（假设已在文件顶部）Console.WriteLine("Hello, World!"); // 无需显式 using System

适用场景

• 值类型数据建模（记录结构）。
• 大型项目命名空间管理（全局 using）。

注意事项

• 记录结构复制成本需关注。
• 全局 using 需谨慎使用。

C# 11.0：必需成员, 泛型数学支持, 文件局部类型

特性表格

概述

required修饰符强制成员初始化。泛型数学支持通过接口实现数值运算。file修饰符限制类型作用域。

语法

• 必需成员:public required type Property { get; set; }
• 泛型数学:interface INumber { static abstract T operator +(T, T); }
• 文件局部类型:file class ClassName { ... }

示例代码

// 必需成员public class Person{    public required string Name { get; set; }}var person = new Person { Name = "Alice" };Console.WriteLine(person.Name); // Alice// 泛型数学支持public interface INumber where T : INumber{    static abstract T Add(T left, T right);}public readonly struct MyNumber : INumber{    public int Value { get; init; }    public MyNumber(int value) => Value = value;    public static MyNumber Add(MyNumber left, MyNumber right) => new(left.Value + right.Value);}MyNumber a = new(1);MyNumber b = new(2);var result = MyNumber.Add(a, b);Console.WriteLine(result.Value); // 3// 文件局部类型file class Helper{    public static void Log(string message) => Console.WriteLine(message);}Helper.Log("Test");

适用场景

• API 设计（必需成员）。
• 泛型数值计算（泛型数学）。
• 代码生成（文件局部类型）。

注意事项

• 必需成员需明确初始化。
• 泛型数学需运行时支持。

C# 12.0：内联数组

特性表格

概述

内联数组通过[InlineArray]特性定义固定大小数组结构，优化性能。

语法

[InlineArray(length)]public struct StructName{    private elementType _element0;}

示例代码

[InlineArray(10)]public struct Buffer{    private int _element0;}Buffer buffer = new();buffer[0] = 1;buffer[9] = 10;Console.WriteLine(buffer[0]); // 1

适用场景

• 高性能计算。
• 替代不安全固定缓冲区。

注意事项

• 固定大小，运行时不可调整。

C# 13.0：参数集合扩展, 引用结构接口支持, 部分属性

特性表格

概述

参数集合扩展支持Span等类型。ref struct可实现接口。部分属性支持分文件定义。

语法

• 参数集合:void Method(params Spanspans);
• 引用结构接口:ref struct StructName : IInterface { ... }
• 部分属性:public partial type Property { get; set; }

示例代码

// 参数集合扩展public void Process(params Span spans){    foreach (var span in spans)        Console.WriteLine(string.Join(", ", span.ToArray()));}int[] numbers = [1, 2, 3];Process(numbers.AsSpan(0, 2), numbers.AsSpan(2, 1)); // 1, 2 和 3// 引用结构接口支持public interface IBuffer{    void Process();}ref struct Buffer : IBuffer{    public Span Data;    public Buffer(Span data) => Data = data;    public void Process() => Data[0] = 10;}Buffer buffer = new(numbers.AsSpan());buffer.Process();Console.WriteLine(numbers[0]); // 10// 部分属性public partial class Person{    public partial string Name { get; set; }}public partial class Person{    public partial string Name { get => _name; set => _name = value; }    private string _name;}var person = new Person { Name = "Alice" };Console.WriteLine(person.Name); // Alice

适用场景

• 高性能参数传递（参数集合）。
• 扩展ref struct（接口支持）。
• 代码生成（部分属性）。

注意事项

• 参数集合需管理Span生命周期。
• 部分属性需确保一致性。

C# 14.0：field 关键字, 隐式 span 转换, nameof 增强, lambda 参数修饰符, partial 成员扩展, 空条件赋值

特性表格

概述

C# 14.0（预计2025年随.NET 10发布，截至2025年4月为预览版）引入了一系列语言特性，旨在提高开发效率和代码可读性，包括 field 关键字、隐式 span 转换、nameof 增强、lambda 参数修饰符、partial 成员扩展和空条件赋值。虽然未引入全新数据类型，但这些特性显著增强了现有类型的用法。

field 关键字

概述

field 关键字允许在属性访问器中直接访问编译器生成的 backing field，无需显式声明。

示例代码

public class Person{    public string Name    {        get => field;        set => field = value?.Trim();    }}var person = new Person { Name = " Alice " };Console.WriteLine(person.Name); // Alice

适用场景

• 简化属性实现，特别是需要对 setter 进行处理时。

注意事项

• 如果类中已有名为field的字段，需使用@field或this.field区分。
• 作为C# 13.0的预览特性，C# 14.0正式支持，详见field 关键字。

隐式 span 转换

概述

C# 14.0 为 Span和ReadOnlySpan提供了与数组的隐式转换，使其使用更加自然。

示例代码

Span span = new int[] {1, 2, 3};int[] array = span.ToArray();Console.WriteLine(string.Join(", ", array)); // 1, 2, 3

适用场景

• 高性能场景中，减少显式转换。
• 与数组和 span 类型交互。

注意事项

• 需确保 span 的生命周期管理，详见Span 转换。

nameof 支持未绑定泛型

概述

允许nameof操作符使用未绑定泛型类型。

示例代码

string listName = nameof(List<>);Console.WriteLine(listName); // List

适用场景

• 泛型编程中，获取类型名称。

注意事项

• 简单但强大的增强，适合反射场景。

lambda 参数修饰符

概述

允许在 lambda 表达式中为参数添加修饰符，如 ref、out等，无需指定类型。

示例代码

var increment = (ref int x) => x++;int num = 5;increment(ref num);Console.WriteLine(num); // 6

适用场景

• 需要在 lambda 中修改外部变量。

注意事项

• params 仍需指定类型，详见lambda 表达式。

partial 构造函数和事件

概述

扩展 partial 成员到实例构造函数和事件，允许在 partial 类型中分离定义和实现。

示例代码

// File1.cspublic partial class MyClass{    public partial MyClass(int x);    public partial event EventHandler MyEvent;}// File2.cspublic partial class MyClass{    public partial MyClass(int x) { }    public partial event EventHandler MyEvent;}

适用场景

• 代码生成场景，如 UI 设计器。

注意事项

• 需确保 defining 和 implementing 声明一致，详见partial 成员。

空条件赋值

概述

允许在赋值语句的左侧使用?.和?[]，仅当左侧非 null 时执行赋值。

示例代码

string? text = null;text?.Length = 5; // 不执行赋值List? list = null;list?[0] = 10; // 不执行赋值list = new List { 0 };list?[0] = 10; // 执行赋值，list[0] = 10Console.WriteLine(list[0]); // 10

适用场景

• 简化 null 检查，避免 NullReferenceException。

注意事项

• 不支持++和--操作，详见空条件赋值。

结语

C# 7.0至C# 14.0的类型系统新增内容涵盖了值元组、Span、ReadOnlySpan、Memory、ReadOnlyMemory、可空引用类型、记录、本机大小整数、记录结构、内联数组等数据类型，以及只读结构、引用结构、必需成员、泛型数学支持等增强。C# 14.0通过field关键字、隐式 span 转换等特性进一步优化了现有类型的用法。这些特性满足了从高性能内存管理到类型安全建模的多种需求。资深C#工程师可根据场景选择类型，如使用Span优化性能，记录建模数据。由于C# 14.0尚在预览阶段，建议关注dotnet/roslyn以获取最新更新。