readonly 欄位與 struct 防禦性複製陷阱

在看 Framework Design Guidelines 時，讀到官方把 Nullable<T> 改成 readonly 的過程中，曾意外引發一個不易察覺的問題。也因此我才注意到防禦性複製（defensive copy）這個議題，以及它帶來的陷阱。

相關討論串在 dotnet/corefx PR #24997

防禦性複製

詳見外部參考 C# struct 的防禦性複製（defensive copy）。

問題展示

以 GitHub 的案例，完整程式碼 Nullable<T> 裁剪後在 value 欄位加上 readonly 如下：

public struct FakeNullable<T> where T : struct
{
    // It can be mutated in ToString, etc.
    internal readonly T value;

    public FakeNullable(T value)
    {
        this.value = value;
    }

    public readonly T Value => value;

    public override string? ToString()
    {
        /* Defensive copy is what causes the issue here.
            IL_0000: ldarg.0
            IL_0001: ldfld !0 valuetype Program/FakeNullable`1<!T>::'value'
            IL_0006: stloc.0
            IL_0007: ldloca.s 0
            IL_0009: constrained. !T
            IL_000f: callvirt instance string [System.Runtime]System.Object::ToString()
            IL_0014: ret
        */
        return value.ToString();
    }
}

struct Counter
{
    public int Count;

    public override string ToString()
    {
        Count = 5;
        return "";
    }
}


FakeNullable<Counter> counter = new FakeNullable<Counter>(new Counter());
Console.WriteLine(counter.Value.Count); // 0
counter.ToString();
Console.WriteLine(counter.Value.Count); // Expect 5, but still get 0

原因在 FakeNullable<T>.ToString() 這行：

1	return value.ToString();

value 是 readonly field。對唯讀欄位呼叫 instance method 時，編譯器會先做一份防禦性複製，再對複本呼叫方法，概念上接近：

1 2	var temp = value; return temp.ToString();

所以 Counter.ToString() 改到的是複本 temp.Count，不是原本的 value.Count。這就是為什麼 counter.ToString() 執行後，counter.Value.Count 仍然是 0。

對照原本非唯讀版本產生的 IL Code，可以更清楚看出差異：

public struct FakeNullable<T> where T : struct
{
    internal T value;

    public FakeNullable(T value)
    {
        this.value = value;
    }

    public readonly T Value => value;

    public override string? ToString()
    {
        /*
            IL_0000: ldarg.0
            IL_0001: ldflda !0 valuetype Program/FakeNullable`1<!T>::'value'
            IL_0006: constrained. !T
            IL_000c: callvirt instance string [System.Runtime]System.Object::ToString()
            IL_0011: ret
        */
        return value.ToString();
    }
}