C# 中的 null 包容运算符 “!” —— 概念、由来、用法和注意事项

在 2020 年的最后一天，博客园发起了一个开源项目：基于 .NET 的博客引擎 fluss，我抽空把源码下载下来看了下，发现在属性的定义中，有很多地方都用到了 null!，如下图所示：

这是什么用法呢？之前没有在项目中用过，所以得空就研究了一下。

以前，! 运算符用来表示 “否”，比如不等于 !=。在 C# 8.0 以后，! 运算符有了一个新意义—— null 包容运算符，用来控制类型的可空性。要了解 null 包容运算符，首先就要了解可为 null 的引用类型。

可为 null 的引用类型

C# 8.0 引入了可为 null 的引用类型，与可空类型补充值类型的方式一样，它们以相同的方式补充引用类型。也就是说，通过将 ? 追加到某引用类型，可以将变量声明为可以为 null 的引用类型。 例如，string? 表示可以为 null 的 string。使用这些新类型可以更清楚地表达代码设计的意图 —— 比如将某些变量声明为 必须始终具有值，而其他一些变量声明为 可以缺少值。

借助这个定义，我们在定义引用类型的变量或属性时，便有了两种选择：

1. 假定引用不可以为 null。 当变量定义为不可以为 null 时，编译器会强制执行规则——确保在不检查它们是否为 null 的前提下，取消引用这些变量是安全的：
   • 变量必须初始化为非 null 值。
   • 变量永远不能赋值为 null。
2. 假定引用可以为 null。 当变量定义为可以为 null 时，编译器会强制执行不同的规则——确保您自己已正确检查 null 引用：
   • 只有当编译器可以保证该值不为 null 时，才可以取消引用该变量。
   • 这些变量可以用默认的 null 值进行初始化，也可以在其他代码中赋值为 null。

与 C# 8.0 之前对引用变量的处理相比，这个新功能提供了显著的优势。在早期版本中，不能通过变量的声明来确定设计意图，编译器没有为引用类型提供针对 null 引用异常的安全性。

通过添加可为 null 的引用类型，您可以更清楚地声明您的意图。null 值是表示一个变量不引用值的正确方法，请不要使用此功能从代码中删除所有的 null 值。而是，应向编译器和阅读代码的其他开发人员声明您的意图。通过声明意图，编译器会在您编写与该意图不一致的代码时警告您。

是不是读起来有点绕？还是直接看示例比较容易理解些，请继续往下看。首先，我们来

启用可为 null 的引用类型

有三种方法可以启用可为 null 的引用类型。

在项目文件中启用

<Nullable>enable</Nullable>

将上面这一行添加到项目文件中，为当前项目启用 可为 null 的引用类型，如下图所示：

在自定义项目属性中启用

在 Directory.Build.props 文件中可以为目录下的所有项目启用 可为 null 的引用类型， 下面截图是 fluss 项目中的设置：

使用预处理器指令启用

可以使用 #nullable enable 和 #nullable disable 预处理器指令在代码中的任意位置启用和禁用 可为 null 的引用类型：

举例说明

典型用法

假设有这个定义：

class Person
{
    public string? MiddleName;
}

如下这样调用：

void LogPerson(Person person)
{
    Console.WriteLine(person.MiddleName.Length);  // 警告  CS8602  解引用可能出现空引用。
    Console.WriteLine(person.MiddleName!.Length); // 没有警告
}

这个 ! 运算符其实就是关闭了编译器的空检查，它就是在告诉编译器或者以后维护你代码的同事：“我”肯定不是 null ，你不用做 null 安全检查了。

内部运行机制

使用此运算符告诉编译器可以安全地访问可能为 null 的内容。您可以用它来表达在这种情况下“不关心” null 安全性。

当我们讨论到 null 安全性时，一个变量可以有两种状态：

1. Nullable : 可以为 null。
2. Non-Nullable ：不可以为 null。

从 C# 8.0 开始，所有的引用类型默认都是 Non-nullable。

“可空性”可以通过以下两个新的类型运算符进行修改：

1. ! ：从 Nullable 改为 Non-Nullable
2. ? ：从 Non-Nullable 改为 Nullable

这两个运算符是相互对应的。您使用这两个运算符限定变量，然后编译器根据您的限定来确保 null 安全性。

? 运算符的用法

1. Nullable：string? x;
   • x 是引用类型，因此默认是不可以为 null 的。
   • 我们使用 ? 运算符将其改为可以为 null 的。
   • x = null; 赋值正常，没有警告。
2. Non-Nullable：string y;
   • y 是引用类型，因此默认是不可以为 null 的。
   • y = null; 赋值会产生一个警告，因为您给一个声明为不支持 null 的变量分配了一个 null 值。

如下图：

! 运算符的用法

string x;
string? y = null;

1. x = y;
   • 非法！警告：将 null 文本或可能的 null 值转换为不可为 null 类型（y 可能为 null）。
   • 赋值运算符 = 左边是不可以为 null 的，但右边是可以为 null 的。
2. x = y!;
   • 合法！
   • 赋值运算符 = 左右两边都是不可以为 null 的。
   • 因为 y! 使用了 ! 运算符到 y，使得右边也变成了不可以为 null 的，所以赋值没有问题。

如下图：

️ 警告： null 包容运算符 ! 仅在类型系统级别关闭编译器检查；在运行时，该值仍然可能是 null。

这是反模式的

C# 编程时应该尽量避免使用 null 包容运算符 !。

有一些有效的使用场景（在下面会介绍），比如单元测试，使用这个运算符是适合的。不过，在 99% 的情况下，使用替代解决方案会更好。请不要只是为了取消警告，而在代码中打几十个 !。要想清楚您的场景是否真的值得使用它。

可以使用，但要小心使用。如果没有实际的目的或使用场景，请不要使用它。

null 包容运算符 ! 抵消了您获得的编译器保证的 null 安全性的作用！

使用 ! 运算符将导致很难发现 bug。如果您定义了一个标记为不可以为 null 的属性，您也就假定了可以安全地使用它。但是在运行时，您却突然遇到 NullReferenceException 异常而挠头，因为一个值在用 ! 绕过了编译器检查后，实际上却变成了 null，这不是给自己添麻烦吗？

既然这样，那么，

为什么 ! 运算符会存在？

• 在某些边缘情况下，编译器无法检测到可以为 null 的值实际上是不为 null 的。
• 使遗留代码库迁移更容易。
• 在某些情况下，您根本不关心某些内容是否为 null。
• 在进行单元测试时，您可能想要检查传递 null 时的代码行为。

接下来，我们继续看下：

null! 是什么意思呢？

null! 是在告诉编译器 null 不是 null 值，这听起来很怪异，是不是？

实际上，它和上面例子中的 y! 一样。它只是看起来挺怪异，因为它将该运算符用在了 null 字面量上，但概念是一样的。

我们再来看一下文章开头提到的 fluss 源码中的一行代码：

/// <summary>
/// 所属的博客。
/// </summary>
public BlogSite BlogSite { get; set; } = null!;

这行代码定义了一个名称为 BlogSite、类型为 BlogSite 的不可以为 null 的类属性。因为它是不可以为 null 的，因此单从技术上讲，很明显它是不可以被赋值为 null的。

但是，您可以通过使用 ! 运算符，将 BlogSite 属性赋值为 null。因为，就编译器所关心的 null 安全性而言，null! 不是 null。

总结

看到这里，想必您肯定已经明白了 null! 是什么意思，也学会了 null 包容运算符 ! 的概念、由来和用法。但是正如我在文中提到的那样，编程时应该尽量避免使用 !，因为它抵消了您本可以获得的编译器保证的 null 安全性；而且，这种写法阅读起来有点让人费解。

有朋友说文章内容不太容易看懂，我补充两张图帮助理解一下：

C# 8.0之前：

C# 8.0之后：

参考：

• https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/nullable-references
• https://stackoverflow.com/questions/54724304/what-does-null-statement-mean
• https://www.cnblogs.com/cmt/p/14217355.html
• https://www.meziantou.net/csharp-8-nullable-reference-types.htm

作者 ： 技术译民
出品 ： 技术译站