C#: типы, допускающие значение Null (Nullable Types)

Содержание

Ссылочные типы могут иметь значение null, если ссылка не ссылается ни на какой объект. В противоположность им значимые типы не могут иметь значение null.

string s = null; // Допустимо, строка - ссылочный тип
int i = null; // Ошибка при компиляции - int не может иметь значение null

1 2	string s = null; // Допустимо, строка - ссылочный тип int i = null; // Ошибка при компиляции - int не может иметь значение null

Чтобы сделать возможным для значимых типов принимать значение null, нужно использовать специальную конструкцию — тип, допускающий значение null (nullable type). Чтобы превратить значимый тип в тип, допускающий значение null, нужно при объявлении переменной непосредственно после указания ее (значимого) типа поставить знак ?:

int? i = null; // тип, допускающий значение null - Nullable Type
Console.WriteLine (i == null); // True

1 2	int? i = null; // тип, допускающий значение null - Nullable Type Console.WriteLine (i == null); // True

Структура Nullable<T>

T? преобразуется в System.Nullable<T>. Nullable<T> — легкая неизменяемая структура, имеющая только два поля: Value и HasValue.

public struct Nullable<T> where T : struct
{
    public T Value {get;}
    public bool HasValue {get;}
    public T GetValueOrDefault();
    public T GetValueOrDefault (T defaultValue);
}

public struct Nullable<T> where T : struct

{

public T Value {get;}

public bool HasValue {get;}

public T GetValueOrDefault();

public T GetValueOrDefault (T defaultValue);

}

Таким образом код:

int? i = null;
Console.WriteLine (i == null); // True

1 2	int? i = null; Console.WriteLine (i == null); // True

преобразуется в:

Nullable<int> i = new Nullable<int>();
Console.WriteLine (! i.HasValue); // True

1 2	Nullable<int> i = new Nullable<int>(); Console.WriteLine (! i.HasValue); // True

Попытка получить значение поля Value если поле HasValue возвращает false приведет к выбрасыванию исключения InvalidOperationException. Метод GetValueOrDefault() вернет значение Value если HasValue возвращает true, в противном случае он вернет new T() или другое, кастомное, значение по умолчанию. Значение по умолчанию для T? — null.

Преобразование типов, допускающих значение null

Преобразование из T в T? выполняется автоматически, а преобразование из T? в T требует явного приведения:

int? x = 5; // автоматически
int y = (int)x; // явное приведение

1 2	int? x = 5; // автоматически int y = (int)x; // явное приведение

Явное приведение объекта, допускающего значение null, эквивалентно вызову его свойства Value. При этом, если HasValue возвращает false, будет выброшено исключение InvalidOperationException.

Приведение к объектному типу и восстановление значения типов, допускающих значение null (Boxing/Unboxing Nullable Values)

Когда T? приводится к объектному типу, объект в хипе будет содержать значение типа T, а не T?. Такого рода оптимизация возможна благодаря тому, что приведенное к объектному типу значение уже является ссылочным типом и может принимать значение null.

Для типов, допускающих значение null, восстановление значения из объектного образа (unboxing) можно сделать с помощью оператора as. При этом, если операция не возможна, будет возвращено значение null.

object o = "string";
int? x = o as int?;
Console.WriteLine (x.HasValue); // False

object o = "string";

int? x = o as int?;

Console.WriteLine (x.HasValue); // False

Поднятие операторов (Operator Lifting)

Для структуры Nullable<T> не определены такие операторы как <, > и даже ==. Несмотря на это выражения с этими операторами будут вполне корректно скомпилированы и выполнены:

int? x = 5;
int? y = 10;
bool b = x < y; // true

int? x = 5;

int? y = 10;

bool b = x < y; // true

Это возможно благодаря тому, что компилятор заимствует или поднимает (lift) операторы у соответствующих значимых типов. Семантически пример выше преобразуется в следующий код:

bool b = (x.HasValue && y.HasValue)
    ? (x.Value < y.Value)
    : false;

bool b = (x.HasValue && y.HasValue)

? (x.Value < y.Value)

: false;

Т.е. если x и y имеют значения, они сравниваются как int, если нет — выражение вернет false.

Поднятие операторов означает, то можно использовать операторы типа T для типа T?. Можно переопределить операторы для типа T?, чтобы реализовать специальную логику для операций со значением null, однако в большинстве случаев лучше будет использовать стандартную логику компилятора. Поведение компилятора, если один или оба операнда будут иметь значение null, зависит от типа оператора.

Операторы равенства (==, !=)

Поднятые операторы равенства со значениями null ведут себя также как операторы ссылочных типов:

два значения null равны
если только один операнд имеет значение null — операнды не равны
если оба операнда имеют не нулевые значения — сравниваются их значения (свойства Value)

Console.WriteLine ( null == null); // True
Console.WriteLine ((bool?)null == (bool?)null); // True

1 2	Console.WriteLine ( null == null); // True Console.WriteLine ((bool?)null == (bool?)null); // True

Операторы отношения (<, <=, >=, >)

Операторы отношения исходят из принципа бессмысленности сравнивать значения null: если хотя бы один операнд (или оба) имеет значение null, выражение вернет false:

bool b = x < y; // Преобразуется в:
bool b = (x == null || y == null)
    ? false
    : (x.Value < y.Value);
// если x = 5, а y = null, то b = false

bool b = x < y; // Преобразуется в:

bool b = (x == null || y == null)

? false

: (x.Value < y.Value);

// если x = 5, а y = null, то b = false

Все остальные операторы (+, –, *, /, %, &, |, ^, <<, >>, +, ++, —, !, ~)

Все остальные операторы вернут null, если хотя бы один операнд имеет значение null:

int? c = x + y; // Преобразуется в:
int? c = (x == null || y == null)
    ? null
    : (int?) (x.Value + y.Value);
// если x = 5, а y = null, то c = null

int? c = x + y; // Преобразуется в:

int? c = (x == null || y == null)

? null

: (int?) (x.Value + y.Value);

// если x = 5, а y = null, то c = null

Сочетание операторов

Благодаря возможности автоматического приведения T к T? можно сочетать в одном выражении обычные значимые типы и типы, допускающие значение null:

int? a = null;
int b = 2;
int? c = a + b; // c = null - эквивалентно выражению a + (int?)b

int? a = null;

int b = 2;

int? c = a + b; // c = null - эквивалентно выражению a + (int?)b

Тип bool? с операторами & и |

Операторы & и | при взаимодействии с операндами типа bool? расценивают null как неизвестное значение. В связи с этим выражение null | true вернет true т.к.:

если неизвестное значение false, результат будет true
если неизвестное значение true, результат будет true

По тем же причинам выражение null & false вернет false.

bool? n = null, f = false, t = true;
Console.WriteLine (n | n); // null
Console.WriteLine (n | f); // null
Console.WriteLine (n | t); // True
Console.WriteLine (n & n); // null
Console.WriteLine (n & f); // False
Console.WriteLine (n & t); // null

bool? n = null, f = false, t = true;

Console.WriteLine (n | n); // null

Console.WriteLine (n | f); // null

Console.WriteLine (n | t); // True

Console.WriteLine (n & n); // null

Console.WriteLine (n & f); // False

Console.WriteLine (n & t); // null

Оператор объединения со значением NULL (??)

Оператор ?? называется оператором объединения со значением null. Он может использоваться как с типами, допускающими значение null, так и с ссылочными типами. Оператор вернет свой левый операнд если он не равен null, в противном случае он вернет правый операнд.

int? x = null;
int y = x ?? 5; // y = 5
int? a = null, b = 1, c = 2;
Console.Write (a ?? b ?? c); // 1 (первое не нулевое значение)

int? x = null;

int y = x ?? 5; // y = 5

int? a = null, b = 1, c = 2;

Console.Write (a ?? b ?? c); // 1 (первое не нулевое значение)