可空的實質型別與其陷阱

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Nullable<T> 是一個很方便的結構，但看似簡單的特性背後卻隱藏一些小陷阱，這些陷阱平時難以發現，但一旦遇到卻很容易讓人感到困惑，這篇文章將解析我遇過的相關情境。

裝箱與 GetType() 時型別不如預期

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decimal? d = null;
decimal? d2 = 1m;

// Type dType = d.GetType(); // Exception
Type d2Type = d2.GetType();
d2Type.FullName.Dump(); // System.Decimal
typeof(decimal?).FullName.Dump(); // System.Nullable`1[[System.Decimal, System.Private.CoreLib, Version=8.0.0.0, Culture=neutral, PublicKeyToken=7cec85d7bea7798e]]

從上面範例可以看到，兩個變數都是 Nullable<Decimal> 型別，但神奇的是 dType 那一行會拋錯而 d2.GetType() 那一行卻會回傳 Decimal 這個型別；而另一方面直接使用 typeof(decimal?) 卻如預期的回傳 Nullable<Decimal>。

根據官方文件 How to identify a nullable value type 一節，這件事得從裝箱 (Boxing) 說起。首先，d2.GetType() 這一行會先轉型成 Object 並引發裝箱，而有值的 Nullable<Decimal> 裝箱的行為實際上是將內部的基礎型別 (Decimal) 的值裝箱，以至於 d2Type 的內容其實是 Decimal。由於本質上是因為裝箱引發的結果，這件事不只會發生在呼叫 GetType() 時，也會在把 Nullable<T> 轉型成 object 而引發裝箱時產生一樣的現象。

另外根據 CLR via C# 這本書第19章 Nullable Value Types 中 The CLR Has Special Support for Nullable Value Types 一節的說法，CLR 有針對 Nullable<T> 做特殊處理，因此我們無法透過模仿 Nullable<T> 的設計而寫出一個客製化的型別來達到一樣的特性。

更甚至在型別判斷上也會出現類似的誤判：

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decimal? d2 = 1m;
(d2 is decimal?).Dump(); // True
(d2 is decimal).Dump(); // True

因此如果要偵測一個物件是不是 Nullable<T>，就只能靠下面的輔助方法來達成：

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static bool IsNullableType<T>(T instance)
{
    Type type = typeof(T);
    return Nullable.GetUnderlyingType(type) != null;
}

decimal? d2 = 1m;
IsNullableType(d2).Dump(); // True
IsNullableType(1m).Dump(); // False

預期外的推論型別結果

搭配三元運算子 (Ternary Operator) 和 Null 聯合運算子 (null-coalescing operators) 使用時， var 的推論型別可能和預期的不一樣。

以下面的範例為例：

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decimal? d = null;
var x = d.HasValue ? d : 1m; // Nullable<Decimal>
var x2 = d ?? 1m; // Decimal

首先三元運算子的部分 var x = d.HasValue ? d : 1m; 其實不太意外畢竟 d 是 Nullable<Decimal> 型別而 1m 的部分是 Decimal，將 x 推論成支援範圍比較廣的 Nullable<Decimal> 很合理。

但 Null 聯合運算子部分就令人意外了。 下面提供兩種不同的工具反組譯出來的結果，雖然細節不大一樣，但關鍵點都一樣是因為 Nullable<T>.GetValueOrDefault() 回傳的型別是 T，以至於推論型別只會是 Decimal。

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// From ILSpy
Nullable<decimal> d = null;
Nullable<decimal> num = d;
decimal x2 = (num.HasValue ? num.GetValueOrDefault() : 1m);

// From LINQPad 8
Nullable<decimal> d = null;
decimal x2 = d.GetValueOrDefault (1m);

這邊另外補充一下 ChatGPT 的解釋與參考資料：

  1. C# 編譯器在推斷三元運算子結果型別時，會考慮兩個操作數的最小共同超類型 (common type) 。如果操作數之一是 Nullable<T> 而另一個是 T，則結果會被推斷為 Nullable<T>，因為 Nullable<T> 可以包含所有 T 的值和一個額外的 null。參考 ?: operator - the ternary conditional operator
  2. ?? 運算子用於在其左操作數為 null 時返回其右操作數。由於 Nullable<T> 可以被看作兩種狀態(有值和無值)，在運行 ?? 時，如果左操作數是 null，則直接返回右操作數的值類型。參考 ?? and ??= operators - the null-coalescing operators

結論

C# 很多由編譯器處理的語法糖，如果不了解編譯後的結果，有時候會對一些細節產生誤判。

參考

ChatGPT

CLR via C# 一書

How to identify a nullable value type

?: operator - the ternary conditional operator

?? and ??= operators - the null-coalescing operators