深入理解 C#.NET record:不可变对象与值语义的现代实践

简介

recordC# 9 引入的新引用类型(Reference Type),专门用于数据导向(Data-Oriented)的不可变对象。特别适合用于表示不可变的数据传输对象(DTO)、值对象和领域模型。

⚡ 主要特性:

  • 内置值相等性:两个 record 实例如果属性值相同,则被认为相等(值相等)。

  • 简洁语法:通过"主构造函数"直接定义属性。

  • 不可变设计:推荐使用 init 访问器,实现只读属性。

  • 模式匹配友好:可以用 with、解构等简化数据处理。

基本语法

简单声明

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public record Person(string FirstName, string LastName);
  • record 关键字定义一个不可变引用类型。

  • (string FirstName, string LastName) 定义主构造函数和自动 init 属性。

等价于:

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public class Person
{
    public string FirstName { get; init; }
    public string LastName { get; init; }

    public Person(string firstName, string lastName)
        => (FirstName, LastName) = (firstName, lastName);

    // 自动生成值相等比较、Deconstruct 方法等
}

使用:

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var p1 = new Person("Alice", "Smith");
Console.WriteLine(p1.FirstName); // Alice

不可变性(init-only)

Record 的属性默认是只读的(init-only),这意味着它们只能在初始化时设置

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public record Person(string FirstName, string LastName, int Age);

// 创建 record 实例
var person = new Person("John", "Doe", 30);

// 编译错误:不能修改属性
// person.Age = 31;

值相等(Value Equality)

引用类型 vs 值类型对比

类型 相等比较(默认)
class 引用相等(Reference Equality)
struct 值相等(字段逐一比较)
record 值相等 (自动生成 Equals/==

示例:

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var p1 = new Person("Alice", "Smith");
var p2 = new Person("Alice", "Smith");
Console.WriteLine(p1 == p2);      // True
Console.WriteLine(p1.Equals(p2)); // True

即使 p1p21 是不同实例,只要属性值相同,就相等。

with 表达式(非破坏性复制)

record 可以使用 with 表达式复制并修改部分属性:

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var p1 = new Person("Alice", "Smith");
var p2 = p1 with { LastName = "Johnson" };

Console.WriteLine(p2.FirstName); // Alice
Console.WriteLine(p2.LastName);  // Johnson
  • p1 保持不变,p2 是新的实例。

  • 这是不可变对象的核心优势。

解构(Deconstruction)

编译器会自动生成 Deconstruct 方法:

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var person = new Person("Alice", "Smith");
var (first, last) = person;
Console.WriteLine($"{first} {last}");

可直接用元组解构。

继承与多态

record 支持继承,且保留值相等语义:

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public record Person(string Name);
public record Student(string Name, int Grade) : Person(Name);

Person p = new Student("Alice", 5);
Console.WriteLine(p is Student); // True

自动生成的 Equals 会包含类型检查,子类与父类不同类型即使属性相同也不相等。

显式属性定义

可以不用主构造函数,像 class 一样定义:

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public record Car
{
    public string Brand { get; init; }
    public string Model { get; init; }
}

class 的唯一区别是自动生成了值相等比较。

record struct(值类型记录,C# 10+)

C# 10 引入 record struct,结合了 record 的值相等 和 struct 的值类型特性。

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// Record struct(值类型)
public record struct Point(int X, int Y);

// 使用 record struct
var point1 = new Point(3, 4);
var point2 = new Point(3, 4);

Console.WriteLine(point1 == point2); // True
Console.WriteLine(point1); // Point { X = 3, Y = 4 }

// 修改 record struct(因为是值类型,所以可以修改)
point1.X = 5;
Console.WriteLine(point1); // Point { X = 5, Y = 4 }

// 只读 record struct
public readonly record struct ImmutablePoint(int X, int Y);

var immutablePoint = new ImmutablePoint(3, 4);
// immutablePoint.X = 5; // 编译错误:不能修改只读字段

记录的成员生成

编译器为 record 自动生成以下内容:

  • Equals(object?)GetHashCode():基于属性值。

  • ==!= 运算符。

  • Deconstruct 方法。

  • ToString():输出形如 Person { FirstName = Alice, LastName = Smith }

这使得 record 非常适合作为 DTO、查询结果、配置数据。

与 class / struct 对比

特性 class struct record(class) record struct
类型 引用类型 值类型 引用类型 值类型
相等性 引用相等 值相等 值相等 值相等
默认不可变 ❌(可变) ❌(可变) ✅(推荐 init ✅(推荐 readonly
内存分配 栈/堆 栈/堆
继承 支持 仅接口 支持 仅接口
with 表达式

高级用法

与模式匹配

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if (person is Person { FirstName: "Alice" })
    Console.WriteLine("Found Alice!");
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public abstract record Shape;
public record Circle(double Radius) : Shape;
public record Rectangle(double Width, double Height) : Shape;
public record Triangle(double Base, double Height) : Shape;

public static double CalculateArea(Shape shape)
{
    return shape switch
    {
        Circle c => Math.PI * c.Radius * c.Radius,
        Rectangle r => r.Width * r.Height,
        Triangle t => 0.5 * t.Base * t.Height,
        _ => throw new ArgumentException("Unknown shape")
    };
}

// 使用模式匹配
var circle = new Circle(5);
var rectangle = new Rectangle(4, 6);

Console.WriteLine(CalculateArea(circle)); // 78.53981633974483
Console.WriteLine(CalculateArea(rectangle)); // 24

位置记录 + 解构

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public record Order(int Id, decimal Price);
var order = new Order(1001, 99.99m);
var (id, price) = order; // 自动解构

实际应用场景

DTO(数据传输对象)

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// API 响应 DTO
public record ApiResponse<T>(bool Success, string Message, T Data);

// API 请求 DTO
public record CreateUserRequest(string Username, string Email, string Password);

// 使用 record DTO
public class UserController : ControllerBase
{
    [HttpPost]
    public IActionResult CreateUser(CreateUserRequest request)
    {
        // 处理请求...
        var response = new ApiResponse<User>(true, "User created successfully", user);
        return Ok(response);
    }
}

配置对象

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// 应用程序配置
public record AppSettings
{
    public string ConnectionString { get; init; }
    public int MaxRetryAttempts { get; init; } = 3;
    public TimeSpan Timeout { get; init; } = TimeSpan.FromSeconds(30);
    public LoggingSettings Logging { get; init; }
}

public record LoggingSettings
{
    public string Level { get; init; } = "Information";
    public string FilePath { get; init; } = "logs/app.log";
}

// 使用配置
var settings = new AppSettings
{
    ConnectionString = "Server=localhost;Database=MyDb",
    MaxRetryAttempts = 5,
    Logging = new LoggingSettings { Level = "Debug" }
};

适用场景

推荐使用 record 的场景:

  • 不可变的数据模型:DTOAPI 响应对象

  • 配置项、设置类

  • 数据库查询结果(EF Core 中很常见)

  • 事件/消息模型(Event SourcingCQRS

不推荐使用 record 的场景:

  • 对象需要频繁修改。

  • 需要严格的引用语义(例如缓存中的唯一实例)。

性能与注意事项

  • record 是引用类型(除非是 record struct),所以在堆上分配,仍有 GC 开销。

  • 值比较可能略微增加 Equals/GetHashCode 的计算成本。

  • with 表达式会创建新对象,不要在高频场景频繁使用。

总结

特性 说明
核心目标 简化不可变数据类型的声明和比较
类型 引用类型(默认)/值类型(record struct
相等性 自动实现基于值的相等性Equals==
不可变性 推荐使用 initreadonly
复制 with 表达式实现非破坏性复制
解构 自动生成 Deconstruct,支持元组解构
典型应用 DTO、API 数据模型、配置对象、事件/消息对象
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