基元：适用于 .NET 的扩展库

项目
03/18/2023

本文介绍 Microsoft.Extensions.Primitives 库。本文中的基元不会与来自 BCL 的 .NET 基元类型或 C# 语言的基元类型混淆。相反，基元库中的类型用作某些外围 .NET NuGet 包的构建基块，例如：

更改通知

当发生更改时传播通知是编程中的基本概念。对象的观察状态在更多时候是可以改变的。发生更改时，可以使用 Microsoft.Extensions.Primitives.IChangeToken 接口的实现将上述更改通知到相关各方。可用的实现如下：

作为开发人员，你也可以自由地实现自己的类型。 IChangeToken 接口会定义几个属性：

IChangeToken.HasChanged：获取一个指示是否发生更改的值。
IChangeToken.ActiveChangeCallbacks：指示令牌是否将主动引发回叫。如果为 false，则令牌使用者必须轮询 HasChanged 以检测更改。

基于实例的功能

请看下面 CancellationChangeToken 中的使用实例：

CancellationTokenSource cancellationTokenSource = new();
CancellationChangeToken cancellationChangeToken = new(cancellationTokenSource.Token);

Console.WriteLine($"HasChanged: {cancellationChangeToken.HasChanged}");

static void callback(object? _) =>
    Console.WriteLine("The callback was invoked.");

using (IDisposable subscription =
    cancellationChangeToken.RegisterChangeCallback(callback, null))
{
    cancellationTokenSource.Cancel();
}

Console.WriteLine($"HasChanged: {cancellationChangeToken.HasChanged}\n");

// Outputs:
//     HasChanged: False
//     The callback was invoked.
//     HasChanged: True

在前面的示例中，CancellationTokenSource 进行实例化，并且它的 Token 被传递给 CancellationChangeToken 构造函数。 HasChanged 的初始状态会写入控制台。创建了一个 Action<object?> callback，当调用回调时，它会写到控制台。在给定 callback 的情况下，调用该令牌的 RegisterChangeCallback(Action<Object>, Object) 方法。在 using 语句中，cancellationTokenSource 已取消。这会触发回叫，并再次将 HasChanged 的状态写入控制台。

如果需要从多个更改源执行操作，请使用 CompositeChangeToken。此实现聚合一个或多个更改令牌，而且无论触发更改的次数如何，每个已注册的回叫都仅引发一次。请考虑以下示例：

CancellationTokenSource firstCancellationTokenSource = new();
CancellationChangeToken firstCancellationChangeToken = new(firstCancellationTokenSource.Token);

CancellationTokenSource secondCancellationTokenSource = new();
CancellationChangeToken secondCancellationChangeToken = new(secondCancellationTokenSource.Token);

CancellationTokenSource thirdCancellationTokenSource = new();
CancellationChangeToken thirdCancellationChangeToken = new(thirdCancellationTokenSource.Token);

var compositeChangeToken =
    new CompositeChangeToken(
        new IChangeToken[]
        {
            firstCancellationChangeToken,
            secondCancellationChangeToken,
            thirdCancellationChangeToken
        });

static void callback(object? state) =>
    Console.WriteLine($"The {state} callback was invoked.");

// 1st, 2nd, 3rd, and 4th.
compositeChangeToken.RegisterChangeCallback(callback, "1st");
compositeChangeToken.RegisterChangeCallback(callback, "2nd");
compositeChangeToken.RegisterChangeCallback(callback, "3rd");
compositeChangeToken.RegisterChangeCallback(callback, "4th");

// It doesn't matter which cancellation source triggers the change.
// If more than one trigger the change, each callback is only fired once.
Random random = new();
int index = random.Next(3);
CancellationTokenSource[] sources = new[]
{
    firstCancellationTokenSource,
    secondCancellationTokenSource,
    thirdCancellationTokenSource
};
sources[index].Cancel();

Console.WriteLine();

// Outputs:
//     The 4th callback was invoked.
//     The 3rd callback was invoked.
//     The 2nd callback was invoked.
//     The 1st callback was invoked.

在前面的 C# 代码中，创建了三个 CancellationTokenSource 对象实例，并将其与相应的 CancellationChangeToken 实例配对。通过将令牌的数组传递给 CompositeChangeToken 构造函数来实例化复合标记。创建了 Action<object?> callback，但是这次，state 对象是作为已设置格式的消息来使用并写入控制台。回叫注册了四次，每次都有一个略微不同的状态对象参数。该代码使用伪随机数生成器选取一个更改令牌源（具体是哪个并不重要）并调用其 Cancel() 方法。这会触发更改，同时仅调用一次每个已注册的回叫。

替代的 `static` 方法

作为调用 RegisterChangeCallback 的替代方法，可以使用 Microsoft.Extensions.Primitives.ChangeToken 静态类。来看看以下使用模式：

CancellationTokenSource cancellationTokenSource = new();
CancellationChangeToken cancellationChangeToken = new(cancellationTokenSource.Token);

IChangeToken producer()
{
    // The producer factory should always return a new change token.
    // If the token's already fired, get a new token.
    if (cancellationTokenSource.IsCancellationRequested)
    {
        cancellationTokenSource = new();
        cancellationChangeToken = new(cancellationTokenSource.Token);
    }

    return cancellationChangeToken;
}

void consumer() => Console.WriteLine("The callback was invoked.");

using (ChangeToken.OnChange(producer, consumer))
{
    cancellationTokenSource.Cancel();
}

// Outputs:
//     The callback was invoked.

与前面的示例非常类似，你需要一个由 changeTokenProducer 生成的 IChangeToken 的实现。生成方被定义为 Func<IChangeToken>，预计每次调用都会返回一个新的令牌。当不使用 state 时，consumer 是一个 Action，或者是一个 Action<TState>，其中泛型类型 TState 流经更改通知。

字符串 tokenizer、段和值

在应用程序开发中，与字符串交互是非常常见的。对字符串的各种表示形式进行分析、拆分或循环访问。基元库提供了几种选择类型，有助于使与字符串的交互更加完善和高效。来看看以下类型：

StringSegment：子字符串的优化表示形式。
StringTokenizer：将 string 标记为 StringSegment 实例。
StringValues：以有效方式表示 null、零个、一个或多个字符串。

`StringSegment` 类型

在本部分中，你将了解称为 StringSegmentstruct 类型的子字符串的优化表示形式。来看看以下 C# 代码示例，其中显示了一些 StringSegment 属性和 AsSpan 方法：

var segment =
    new StringSegment(
        "This a string, within a single segment representation.",
        14, 25);

Console.WriteLine($"Buffer: \"{segment.Buffer}\"");
Console.WriteLine($"Offset: {segment.Offset}");
Console.WriteLine($"Length: {segment.Length}");
Console.WriteLine($"Value: \"{segment.Value}\"");

Console.Write("Span: \"");
foreach (char @char in segment.AsSpan())
{
    Console.Write(@char);
}
Console.Write("\"\n");

// Outputs:
//     Buffer: "This a string, within a single segment representation."
//     Offset: 14
//     Length: 25
//     Value: " within a single segment "
//     " within a single segment "

在给定 string 值、offset 和 length 的情况下，前面的代码对 StringSegment 进行实例化。 StringSegment.Buffer 是原始字符串参数，StringSegment.Value 是基于 StringSegment.Offset 和 StringSegment.Length 值的子字符串。

StringSegment 结构提供了许多方法，用于与段进行交互。

`StringTokenizer` 类型

StringTokenizer 对象是一个结构类型，用于将 string 标记到 StringSegment 实例中。较大字符串的标记化通常涉及将字符串拆分开并循环访问它。说到这个，可能会想到 String.Split。这些 API 都是类似的，但通常情况下，StringTokenizer 提供的性能更好。首先来看下面的示例：

var tokenizer =
    new StringTokenizer(
        s_nineHundredAutoGeneratedParagraphsOfLoremIpsum,
        new[] { ' ' });

foreach (StringSegment segment in tokenizer)
{
    // Interact with segment
}

在前面的代码中，在给定 900 个自动生成的 Lorem Ipsum 文本段落和一个带有空白字符 ' ' 的单个值的数组的情况下，创建了 StringTokenizer 类型的一个实例。 tokenizer 中的每个值都表示为 StringSegment。代码循环访问段，允许使用者与每个 segment 进行交互。

对 `StringTokenizer` 和 `string.Split` 进行基准比较

由于有各种切分字符串的方法，感觉用一个基准来比较两种方法比较合适。使用 BenchmarkDotNet NuGet 包，可以考虑以下两个基准方法：

使用 StringTokenizer：

StringBuilder buffer = new();

var tokenizer =
    new StringTokenizer(
        s_nineHundredAutoGeneratedParagraphsOfLoremIpsum,
        new[] { ' ', '.' });

foreach (StringSegment segment in tokenizer)
{
    buffer.Append(segment.Value);
}

使用 String.Split：

StringBuilder buffer = new();

string[] tokenizer =
    s_nineHundredAutoGeneratedParagraphsOfLoremIpsum.Split(
        new[] { ' ', '.' });

foreach (string segment in tokenizer)
{
    buffer.Append(segment);
}

这两种方法在 API 图区上看起来相似，它们都可以将大型字符串拆分为多个块。下面的基准结果显示，StringTokenizer 方法几乎快了三倍，但结果可能会有所不同。与所有性能注意事项一样，应评估具体用例。

方法	平均值	错误	标准偏差	比率
分词器	3.315 毫秒	0.0659 毫秒	0.0705 毫秒	0.32
Split	10.257 毫秒	0.2018 毫秒	0.2552 毫秒	1.00

图例

均值：所有度量值的算术平均值
错误：99.9% 的置信区间的一半
标准偏差：所有度量值的标准偏差
中值：此值将所有度量值中较高的一半分隔开（第 50 个百分位）
比率：比率分布的平均值（当前/基线）
比率标准偏差：比率分布的标准偏差（当前/基线）
1 ms：1 毫秒（0.001 秒）

有关 .NET 基准测试的详细信息，请参阅 BenchmarkDotNet。

`StringValues` 类型

StringValues 对象是一个 struct 类型，以有效方式表示 null、零个、一个或多个字符串。可以通过以下语法之一构造 StringValues 类型：string? 或 string?[]?。使用上一示例中的文本，考虑以下 C# 代码：

StringValues values =
    new(s_nineHundredAutoGeneratedParagraphsOfLoremIpsum.Split(
        new[] { '\n' }));

Console.WriteLine($"Count = {values.Count:#,#}");

foreach (string? value in values)
{
    // Interact with the value
}
// Outputs:
//     Count = 1,799

前面的代码在给定字符串值数组的情况下实例化 StringValues 对象。 StringValues.Count 被写入到控制台。

StringValues 类型是以下集合类型的一个实现：

IList<string>
ICollection<string>
IEnumerable<string>
IEnumerable
IReadOnlyList<string>
IReadOnlyCollection<string>

因此，它可以被循环访问，每个 value 都可以根据需要进行交互。

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更改通知

基于实例的功能

替代的 `static` 方法

字符串 tokenizer、段和值

`StringSegment` 类型

`StringTokenizer` 类型

对 `StringTokenizer` 和 `string.Split` 进行基准比较

`StringValues` 类型

另请参阅

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替代的 static 方法

字符串 tokenizer、段和值

StringSegment 类型

StringTokenizer 类型

对 StringTokenizer 和 string.Split 进行基准比较

StringValues 类型

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替代的 `static` 方法

`StringSegment` 类型

`StringTokenizer` 类型

对 `StringTokenizer` 和 `string.Split` 进行基准比较

`StringValues` 类型