避免分配但不允许值类型使用默认零值

问题描述

C＃中的值类型不能具有无参数的ctor，因为创建不带参数的实例时CLR的默认行为是将所有位设为零。

假设我有一个用例，我想拥有一个在基础值上强制某些不变式的类型，而这些不变式则禁止默认的全零状态。这迫使我使用引用类型。现在假设我赚了很多，我的意思是很多这种类型的实例。性能至关重要，这些分配加在一起，给GC带来很大压力。我非常想避免这些分配，因此首先想到使用值类型。但是a，我不能，因为默认值无效。

假定该类型满足值类型所需要的所有其他条件，即它确实表示一个值，具有值语义，最多占用16位。唯一的不足是，全零值是这种类型的无效状态。

我如何实现我的性能目标，而在上述情况下，该目标确实受到了GC压力的限制，而又不会牺牲我的类型所压缩的不变式？

编辑：

一个非常简单的例子，假设我拥有一个64位序列以及第一个非零位的索引。

public <struct/class> BitSequence64
{
    private long _bits;
    private int _firstNonZero;

    public IEnumerable<byte> Bytes => ...

    // A bunch of helper properties.

    public BitSequence64(long value)
    {
        // Set the _firstNonZero,etc.
        ...
    }

    // Methods that allow you to twiddle the bits but maintaining 
    // the invariant of always having at least one non-zero.
}

因此，显然将_bits设置为全零是没有意义的，尤其是因为_firstNonZero然后将指向第一位，即非零。这些序列很多，我非常希望这种类型的依赖项可以安全地使用它，而不必每次将其传递给面向公众的API时都无需验证其不是default值。

解决方法

我成功使用的一种技术是更改内部状态的解释方式，以使值类型default(T)的{​​{1}}在零无效或无效时有效。希望默认值为零。

究竟要如何实现，将取决于构成类型内部状态的因素。一般而言，成员字段中的至少一个将存储与消费者看到的值不同的值。取而代之的是，该类型的公共接口将说明进入和流出该类型的差异。

了解内部状态类型的自然属性（数学或其他方面）将帮助您确定如何做到这一点。

首先要做的是为该类型选择一个合理的默认值。显然，自然T被确定为不合理，因此需要选择其他内容。例如，这可能是有效范围内的最小值。但是，无论它是什么，它都会告诉您在存储输入之前如何调整输入，以及在返回它们之前如何调整内部值（通过逆运算）。

入门示例

以下default(T)包装器类型是该技术的一个非常人为的基本示例。

警告：请勿按原样使用此示例；它仅用于演示目的。

Year

此处，默认值为用于调整内部状态的public readonly struct Year { private const int Delta = 2000; private readonly int _value; public Year(int value) { _value = value - Delta; } public int Value => _value + Delta; } 常量。在Delta中，default(Year)将是_value，但是0属性将返回Value。同样，2000将在输入时将new Year(2000)转换为2000，并在输出时转换回0。另一种思考方式是2000代表与默认值的偏移量。

围绕此内部表示构建功能时，请务必记住只有构造函数和_value属性应访问后备字段。其他所有内容，甚至是私有成员，都应使用Value属性来确保一致性。同样，创建新实例应使用构造函数并传递面向消费者的值。在其他任何地方使用后备字段都会引发潜在的错误，因此最好避免这样做。单元测试对于确保一致性至关重要。

问题类型

Value的情况有点棘手，因为它具有特定的不变性。在注释中，看起来默认值为BitSequence64（仅设置了位0）可能是该类型的合理默认值。从现在开始，我将在假设的情况下进行操作。

这可以通过将实际值与1进行异或来实现。很好，因为XOR'ing by 1是它自己的逆运算。

现在，1是有效的，因为它表示的值也与default(BitSequence64)（也有效）所表示的值相同。

new BitSequence64(1L)

使用默认值public struct BitSequence64 { private const long DefaultBit = 1L; private long _value; private int _firstNonZero; public BitSequence64(long value) { if (value == 0) throw new ArgumentException("At least one bit must be set.",nameof(value)); _value = value ^ DefaultBit; _firstNonZero = GetFirstNonZero(_value); } public long Value => _value ^ DefaultBit; public int FirstNonZero => _firstNonZero; // Note that this property uses the post-adjustment,consumer-facing value. public IEnumerable<byte> Bytes => BitConverter.GetBytes(Value); private static int GetFirstNonZero(long value) { // TODO: Incorporate your implementation here. throw new NotImplementedException(); } // And,of course,let's not forget the members that do bit-twiddling // while maintaining the invariants. // ... } 很方便，但是如果您需要使用默认值1（设置了MSB）怎么办？默认为零时，0x1000_0000_0000_0000将不再正确。

在内部状态下解决这个问题很容易。我们可以将_firstNonZero重新定义为距位31“向下”的距离，而不是距位0“向上”的距离。除了按最高有效位对值进行XOR运算外，还修改构造函数和_firstNonZero属性以对FirstNonZero执行转换。