C# 9.0新特性详解系列之五：记录(record)和with表达式

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C# 9.0新特性详解系列之五：记录(record)和with表达式

1 背景与动机

传统面向对象编程的核心思想是一个对象有着唯一标识，表现为对象引用，封装着随时可变的属性状态，如果你改变了一个属性的状态，这个对象还是原来那个对象，就是对象引用没有因为状态的改变而改变，也就是说该对象可以有很多种状态。C#从最初开始也是一直这样设计和工作的。但是一些时候，你可能非常需要一种恰好相反的方式，例如我需要一个对象只有一个状态，那么原来那种默认方式往往会成为阻力，使得事情变得费时费力。

当一个类型的对象在创建时被指定状态后，就不会再变化的对象，我们称之为不可变类型。这种类型是线程安全的，不需要进行线程同步，非常适合并行计算的数据共享。它减少了更新对象会引起各种bug的风险，更为安全。System.DateTime和string就是不可变类型非常经典的代表。

原来，我们要用类来创建一个不可变类型，你首先要定义只读字段和属性，并且还要重写涉及相等判断的方法等。在C#9.0中，引入了record，专门用来以最简的方式创建不可变类型的新方式。如果你需要一个行为像值类型的引用类型，你可以使用record；如果你需要整个对象都是不可变的，且行为像一个值，那么你也可考虑将其声明为一个record类型。那么什么是record类型？

2 Record介绍

record类型是一种用record关键字声明的新的引用类型，与类不同的是，它是基于值相等而不是唯一的标识符——对象引用。他有着引用类型的支持大对象、继承、多态等特性，也有着结构的基于值相等的特性。可以说有着class和struct两者的优势，在一些情况下可以用以替代class和struct。

提到不可变的类型，我们会想到readonly struct，那么为什么要选择添加一个新的类型，而不是用readonly struct呢？这是因为记录有着如下优点：

在构造不可变的数据结构时，它的语法简单易用。
record为引用类型，不用像值类型在传递时需要内存分配，并进行整体拷贝。
构造函数和结构函数为一体的、简化的位置记录
有力的相等性支持，重写了Equals(object), IEquatable, 和GetHashCode()这些基本方法。

2.1 record类型的定义与使用

2.1.1 常规方式

record类型可以定义为可变的，也可以是不可变的。现在，我们用record定义一个只有只读属性的Person类型如下。这种只有只读属性的类型，因为其在创建好之后，属性就不能再被修改，我们通常把这种类型叫做不可变类型。

public record Person
{
    public string LastName { get; }
    public string FirstName { get; }

    public Person(string first, string last) => (FirstName, LastName) = (first, last);
}

上面这种声明，在使用时，只能用带参的构造函数进行初始化。要创建一个record对象跟类没有什么区别：

Person person = new("Andy", "Kang");

如果要支持用对象初始化器进行初始化，则在属性中使用init关键字。这种形式，如果不需要用带参的构造函数进行初始化，可以不定义带参的构造函数，上面的Person可以改为下面形式。

public record Person
{
    public string? FirstName { get; init; }
    public string? LastName { get; init; }
}

现在，创建Person对象时，用初始化器进行初始化如下：

Person person = new() { FirstName = "Andy", LastName = "Kang"};

如果需要是可变类型的record，我们定义如下。这种因为有set访问器，所有它支持用对象初始化器进行初始化，如果你想用构造函数进行初始化，你可以添加自己的构造函数。

public record Person
{
    public string? FirstName { get; set; }
    public string? LastName { get; set; }

}

2.1.2 位置记录 / Positional records

为了支持将record对象能解构成元组，我们给record添加解构函数Deconstruct。这种record就称为位置记录。下面代码定义的Person，记录的内容是通过构造函数的参数传入，并且通过位置解构函数提取出来。你完全可以在记录中定义你自己的构造和解构函数（注意不是析构函数）。如下所示：。

public record Person 
{ 
    public string FirstName { get; init; } 
    public string LastName { get; init; }
    public Person(string firstName, string lastName) 
      => (FirstName, LastName) = (firstName, lastName);
    public void Deconstruct(out string firstName, out string lastName) 
      => (firstName, lastName) = (FirstName, LastName);
}

针对上面如此复杂的代码，C#9.0提供了更精简的语法表达上面同样的内容。需要注意的是，这种记录类型是不可变的。这也就是为什么有record默认是不可变的说法由来。

public record Person(string FirstName, string LastName);

该方式声明了公开的、仅可初始化的自动属性、构造函数和解构函数。现在创建对象，你就可以写如下代码：

var person = new Person("Mads", "Torgersen"); // 位置构造函数
var (firstName, lastName) = person;                        // 位置解构函数

当然，如果你不喜欢产生的自动属性、构造函数和解构函数，你可以自定义同名成员代替，产生的构造函数和解构函数将会只使用你自定义的那个。在这种情况下，被自定义参数处于你用于初始化的作用域内，例如，你想让FirstName是个保护属性：

public record Person(string FirstName, string LastName)
{
    protected string FirstName { get; init; } = FirstName; 
}

如上例子所示，对位置记录进行扩展，你可以在大括号里添加你想要的任何成员。

一个位置记录可以像下面这样调用父类构造函数。

public record Student(string FirstName, string LastName, int ID) : Person(FirstName, LastName);

2.1.3 定义的总结

record默认情况下是被设计用来进行描述不可变类型的，因此位置记录这种短小简明的声明方式是推荐方式。

2.2 with表达式

当使用不可变的数据时，一个常见的模式是从现存的值创建新值来呈现一个新状态。例如，如果Person打算改变他的姓氏（last name），我们就需要通过拷贝原来数据，并赋予一个不同的last name值来呈现一个新Person。这种技术被称为非破坏性改变。作为描绘随时间变化的person，record呈现了一个特定时间的person的状态。为了帮助进行这种类型的编程，针对records就提出了with表达式，用于拷贝原有对象，并对特定属性进行修改：

var person = new Person { FirstName = "Mads", LastName = "Nielsen" };
var otherPerson = person with { LastName = "Torgersen" };

如果只是进行拷贝，不需要修改属性，那么无须指定任何属性修改，如下所示：

Person clone = person with { };

with表达式使用初始化语法来说明新对象在哪里与原有对象不同。with表达式实际上是拷贝原来对象的整个状态值到新对象，然后根据对象初始化器来改变指定值。这意味着属性必须有init或者set访问器，才能用with表达式进行更改。

需要注意的是：

with表达式左边操作数必须为record类型。
record的引用类型的成员在拷贝的时候，只是将所指实例的引用进行了拷贝。

2.3 record的面向对象的特性——继承、多态等

记录（record)和类一样，在面向对象方面，支持继承，多态等所有特性。除过前面提到的record专有的特性，其他语法写法跟类也是一样。同其他类型一样，record的基类依然是object。
要注意的是：

记录只能从记录继承，不能从类继承，也不能被任何类继承。
record不能定义为static的，但是可以有static成员。

下面一个学生record，它继承自Person：

public record Person
{
    public string? FirstName { get; init; }
    public string? LastName { get; init; }
}

public sealed record Student : Person
{
    public int ID { get; init; }
}

对于位置记录，只要保持record特有的写法即可：

public record Person(string FirstName, string LastName);

public sealed record Student(string FirstName, string LastName, int Level) : Person(FirstName, LastName);

public sealed record Teacher(string FirstName, string LastName, string Title) : Person(FirstName, LastName)
{
    public override string ToString()
    {
        StringBuilder s = new();
        base.PrintMembers(s);
        return $"{s.ToString()} is a Teacher";
    }
}

with表达式和值相等性与记录的继承结合的很好，因为他们不仅是静态的已知类型，而且考虑到了整个运行时对象。比如，我创建一个Student对象，将其存在Person变量里。

Person student = new Student { FirstName = "Mads", LastName = "Nielsen", ID = 129 };

with表达式仍然拷贝整个对象并保持着运行时的类型：

var otherStudent = student with { LastName = "Torgersen" };
WriteLine(otherStudent is Student); // true

同样地，值相等性确保两个对象有着同样的运行时类型，然后比较他们的所有状态：

Person similarStudent = new Student { FirstName = "Mads", LastName = "Nielsen", ID = 130 };
WriteLine(student != similarStudent); //true, 由于ID值不同

2.4 record实现原理

从本质上来讲，record仍然是一个类，但是关键字record赋予这个类额外的几个像值的行为。也就是，当你定义了record时候，编译器会自动生成以下方法，来实现基于值相等的特性（即只要两个record的所有属性都相等，且类型相同，那么这两个record就相等）、对象的拷贝和成员及其值的输出。

基于值相等性的比较方法，如Equals,==,!=,EqualityContract等。
重写GetHashCode()
拷贝和克隆成员
PrintMembers和ToString()方法

例如我先定义一个Person的记录类型：

public record Person(string FirstName, string LastName);

编译器生成的代码和下面的代码定义是等价的。但是要注意的是，跟编译器实际生成的代码相比，名字的命名是有所不同的。

public class Person : IEquatable<Person>
{
    private readonly string _FirstName;
    private readonly string _LastName;

    protected virtual Type EqualityContract
    {
        get
        {
            return typeof(Person);
        }
    }

    public string FirstName
    {
        get
        {
            return _FirstName;
        }
        init
        {
            _FirstName = value;
        }
    }
    public string LastName
    {
        get
        {
            return _LastName;
        }
        init
        {
            _LastName = value;
        }
    }
    public Person(string FirstName, string LastName)
    {
        _FirstName = FirstName;
        _LastName = LastName;
    }

    public override string ToString()
    { 
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        stringBuilder.Append("Person");
        stringBuilder.Append(" { ");
        if (PrintMembers(stringBuilder))
        {
            stringBuilder.Append(" ");
        }
        stringBuilder.Append("}");
        return stringBuilder.ToString();
    }

    protected virtual bool PrintMembers(StringBuilder builder)
    { 
        builder.Append("FirstName");
        builder.Append(" = ");
        builder.Append((object)FirstName);
        builder.Append(", ");
        builder.Append("LastName");
        builder.Append(" = ");
        builder.Append((object)LastName);
        return true;
    }

    public static bool operator !=(Person r1, Person r2)
    {
        return !(r1 == r2);
    }

    public static bool operator ==(Person r1, Person r2)
    {
        return (object)r1 == r2 || ((object)r1 != null && r1.Equals(r2));
    }

    public override int GetHashCode() 
    { 
        return (EqualityComparer<Type>.Default.GetHashCode(EqualityContract) * -1521134295 
                + EqualityComparer<string>.Default.GetHashCode(_FirstName)) * -1521134295 
                + EqualityComparer<string>.Default.GetHashCode(_LastName);
    }

    public override bool Equals(object obj)
    {
        return Equals(obj as Person);
    }

    public virtual bool Equals(Person other)
    { 
        return (object)other != null 
                && EqualityContract == other.EqualityContract 
                && EqualityComparer<string>.Default.Equals(_FirstName, other._FirstName) 
                && EqualityComparer<string>.Default.Equals(_LastName, other._LastName);
    }

    public virtual Person Clone()
    { 
        return new Person(this);
    }

    protected Person(Person original)
    { 
        _FirstName = original._FirstName;
        _LastName = original._LastName;
    }
    public void Deconstruct(out string FirstName, out string LastName)
    { 
        FirstName = this.FirstName;
        LastName = this.LastName;
    }
}

这些由编译器生成的一些成员，是允许编程人员自定义的，一旦编译器发现有自定义的某个成员，它就不会再生成这个成员。

由此可见，record实际上就是编译器特性，并且records由他们的内容来界定，不是他们的引用标识符。从这一点上讲，records更接近于结构，但是他们依然是引用类型。

2.4.1 基于值的相等

所有对象都从object类型继承了 Equals(object)，这是静态方法 Object.Equals(object, object) 用来比较两个非空参数的基础。结构重写了这个方法，通过递归调用每个结构字段的Equals方法，从而有了“基于值的相等”。Recrods也是这样。这意味着只要他们的值保持一致，两个record对象可以不是同一个对象实例就会相等。例如我们将修改的Last name又修改回去了：

var originalPerson = otherPerson with { LastName = "Nielsen" };

现在我们会得到 ReferenceEquals(person, originalPerson) = false (他们不是同一对象)，但是 Equals(person, originalPerson) = true (他们有同样的值).。与基于值的Equals一起的，还伴有基于值的GetHashCode()的重写。另外，records实现了IEquatable并重载了==和 !=这两个操作符，这些都是为了基于值的行为在所有的不同的相等机制方面保持一致。

基于值的相等和可变性契合的不总是那么好。一个问题是改变值可能引起GetHashCode的结果随时变化，如果这个对象被存放在哈希表中，就会出问题。我们没有不允许使用可变的record，但是我们不鼓励那样做，除非你已经想到了后果。

如果你不喜欢默认Equals重写的字段与字段比较行为，你可以进行重写。你只需要认真理解基于值的相等时如何在records中工作原理，特别是涉及到继承的时候。

除了熟悉的Equals，==和！=操作符之外，record还多了一个新的EqualityContract只读属性，该属性返回类型是Type类型，返回值默认为该record的类型。该属性用来在判断两个具有继承关系不同类型的record相等时，该record所依据的类型。下面我们看一个有关EqualityContract的例子，定义一个学生record，他继承自Person：

public record Student(string FirstName, string LastName, int Level) : Person(FirstName, LastName);

这个时候，我们分别创建一个Person和Student实例，都用来描述同样的人：

Person p = new Person("Jerry", "Kang");
Person s = new Student("Jerry", "Kang", 1);
WriteLine(p == s); // False

这两者比较的结果是False，这与我们实际需求不相符。那么我们可以重写EqualityContract来实现两种相等：

public record Student(string FirstName, string LastName, int Level) : Person(FirstName, LastName)
{
    protected override Type EqualityContract
    {
        get => typeof(Person);
    }
}

经过此改造之后，上面例子中的两个实例就会相等。EqualityContract的修饰符是依据下面情况确定的：

如果基类是object, 属性是virtual；
如果基类是另一个record类型，则该属性是override；
如果基类类型是sealed，则该属性也是sealed的。

2.4.2 拷贝克隆与with表达式

一个record在编译的时候，会自动生成一个带有保护访问级别的“拷贝构造函数”，用来将现有record对象的字段值拷贝到新对象对应字段中：

protected Person(Person original) { /* 拷贝所有字段 */ } // 编译器生成

with表达式就会引起拷贝构造函数被调用，然后应用对象初始化器来有限更改属性相应值。如果你不喜欢默认的产生的拷贝构造函数，你可以自定义该构造函数，编译器一旦发现有自定义的构造函数，就不会在自动生成，with表达式也会进行调用。

public record Person(string FirstName, string LastName)
{
    protected Person(Person original)
    {
        this.FirstName = original.FirstName;
        this.LastName = original.LastName;
    }
}

编译器默认地还会生成with表达式会使用的一个Clone方法用于创建新的record对象，这个方法是不能在record类型里面自定义的。

2.4.3 PrintMembers和ToString()方法

如果你用Console.WriteLine来输出record的实例，就会发现其输出与用class定义的类型的默认的ToString完全不同。其输出为各成员及其值组成的字符串：

Person {FirstName = Andy, LastName = Kang}

这是因为，基于值相等的类型，我们更加关注于具体的值的情况，因此在编译record类型时会自动生成重写了ToString的行为的代码。针对record类型，编译器也会自动生成一个保护级别的PrintMembers方法，该方法用于生成各成员及其值的字符串，即上面结果中的大括号内部的内容。ToString中，就调用了PrintMembers来生成其成员字符串部分，其他部分在ToString中补充。

我们也可以定义PrintMembers和重写ToString方法来实现自己想要的功能，如下面实现ToString输出为Json格式：

public record Person(string FirstName, string LastName)
{
    protected virtual bool PrintMembers(StringBuilder builder)
    {
        builder.Append("\"FirstName\"");
        builder.Append(" : ");
        builder.Append($"\"{ FirstName}\"");
        builder.Append(", ");
        builder.Append("\"LastName\"");
        builder.Append(" : ");
        builder.Append($"\"{ LastName}\"");
        return true;
    }

    public override string ToString()
    {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        stringBuilder.Append("{");
        if (PrintMembers(stringBuilder))
        {
            stringBuilder.Append(" ");
        }
        stringBuilder.Append("}");
        return stringBuilder.ToString();
    }
}

record因为都是继承自Object，因此ToString都是采用override修饰符。而PrintMembers方法修饰符是依据下面情况决定的：

如果记录不是sealed而是从object继承的, 该方法是protected virtual；
如果记录基类是另一个record类型，则该方法是protected override；
如果记录类型是sealed，则该方法也是private的。

3 应用场景

3.1 Web Api

用于web api返回的数据，通常作为一种一次性的传输型数据，不需要是可变的，因此适合使用record。

3.2 并发和多线程计算

作为不可变数据类型record对于并行计算和多线程之间的数据共享非常适合，安全可靠。

3.3 数据日志

record本身的不可变性和ToString的数据内容的输出，不需要很多人工编写很多代码，就适合进行日志处理。

3.4 其他

其他涉及到有大量基于值类型比较和复制的场景，也是record的常用的使用场景。

4 结束语

在生产应用中，有着众多的使用场景，以便我们用record来替换写一个类。未知的还在等我们进一步探索。

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