Tuple元组 、 ValueTuple 值元组详解

Tuple元组

Tuple是C# 4.0时出的新特性，.Net Framework 4.0以上版本可用。

元组是一种数据结构，具有特定数量和元素序列，与数组不同，元祖中的元素可以不同的数据类型。比如设计一个三元组数据结构用于存储学生信息，一共包含三个元素，第一个是名字，第二个是年龄，第三个是身高。

元组的具体使用如下：

1.    如何创建元组

默认情况.Net Framework元组仅支持1到7个元组元素，如果有8个元素或者更多，需要使用Tuple的嵌套和Rest属性去实现。另外Tuple类提供创造元组对象的静态方法。

• 利用构造函数创建元组：

var testTuple7 = new Tuple<int, int, int, int, int, int, int>(, , , , , ,);
Console.WriteLine($"Item 1: {testTuple7.Item1}, Item 7: {testTuple7.Item7}");

var testTuple10 = new Tuple<int, int, int, int, int, int, int, Tuple<int, int, int>>
                          (, , , , , , , new Tuple<int, int, int>(, , ));
Console.WriteLine($"Item 1: {testTuple10.Item1}, Item 10: {testTuple10.Rest.Item3}");

• 利用Tuple静态方法构建元组，最多支持八个元素：

var testTuple7 = System.Tuple.Create<int, int, int, int, int, int, int>(, , , , , , );
Console.WriteLine($"Item 1: {testTuple7.Item1}, Item 7: {testTuple7.Item7}");

var testTuple8 = System.Tuple.Create<int, int, int, int, int, int, int, int>
                          (, , , , , , , );
Console.WriteLine($"Item 1: {testTuple8.Item1}, Item 8: {testTuple8.Rest.Item1}");

Note：这里构建出来的Tuple类型其实是Tuple<int, int, int, int, int, int, int, Tuple<int>>，因此testTuple8.Rest取到的数据类型是Tuple<int>，因此要想获取准确值需要取Item1属性。

2.    表示一组数据

如下创建一个元组表示一个学生的三个信息：名字、年龄和身高，而不用单独额外创建一个类。

var studentInfo = Tuple.Create<string, int, uint>("Bob", , );
Console.WriteLine($"Student Information: Name [{studentInfo.Item1}], Age [{studentInfo.Item2}], Height [{studentInfo.Item3}]");

3.    从方法返回多个值

当一个函数需要返回多个值的时候，一般情况下可以使用out参数，这里可以用元组代替out实现返回多个值。

void Main()
{
    var studentInfo = GetStudentInfo("Bob");
    Console.WriteLine($"Student Information: Name [{studentInfo.Item1}], Age [{studentInfo.Item2}], Height [{studentInfo.Item3}]");
}
static dynamic GetStudentInfo(string name)
{
    return new Tuple<string, int, uint>("Bob", , );
}

4.    用于单参数方法的多值传递

当函数参数仅是一个Object类型时，可以使用元组实现传递多个参数值。

void Main()
{
    var t = new System.Threading.Thread(new System.Threading.ParameterizedThreadStart(WriteStudentInfo));
    t.Start(new Tuple<string, int, uint>("Bob", , ));
    while (t.IsAlive)
    {
        System.Threading.Thread.Sleep();
    }
}
static void WriteStudentInfo(Object student)
{
    var studentInfo = student as Tuple<string, int, uint>;
    Console.WriteLine($"Student Information: Name [{studentInfo.Item1}], Age [{studentInfo.Item2}], Height [{studentInfo.Item3}]");
}

尽管元组有上述方便使用的方法，但是它也有明显的不足：

• 访问元素的时候只能通过ItemX去访问，使用前需要明确元素顺序，属性名字没有实际意义，不方便记忆；
• 最多有八个元素，要想更多只能通过最后一个元素进行嵌套扩展；
• Tuple是一个引用类型，不像其它的简单类型一样是值类型，它在堆上分配空间，在CPU密集操作时可能有太多的创建和分配工作。

因此在C# 7.0中引入了一个新的ValueTuple类型，详见下面章节。

ValueTuple值元组

ValueTuple是C# 7.0的新特性之一，.Net Framework 4.7以上版本可用。

值元组也是一种数据结构，用于表示特定数量和元素序列，但是是和元组类不一样的，主要区别如下：

• 值元组是结构，是值类型，不是类，而元组（Tuple）是类，引用类型；
• 值元组元素是可变的，不是只读的，也就是说可以改变值元组中的元素值；
• 值元组的数据成员是字段不是属性。

值元组的具体使用如下：

1.    如何创建值元组

和元组类一样，.Net Framework值元组也只支持1到7个元组元素，如果有8个元素或者更多，需要使用值元组的嵌套和Rest属性去实现。另外ValueTuple类可以提供创造值元组对象的静态方法。

• 利用构造函数创建元组：

var testTuple6 = new ValueTuple<int, int, int, int, int, int>(, , , , , );
Console.WriteLine($"Item 1: {testTuple6.Item1}, Item 6: {testTuple6.Item6}"); 

var testTuple10 = new ValueTuple<int, int, int, int, int, int, int, ValueTuple<int, int, int>>(, , , , , , , new ValueTuple <int, int, int>(, , ));
Console.WriteLine($"Item 1: {testTuple10.Item1}, Item 10: {testTuple10.Rest.Item3}");

• 利用Tuple静态方法构建元组，最多支持八个元素：

var testTuple6 = ValueTuple.Create<int, int, int, int, int, int>(, , , , , );
Console.WriteLine($"Item 1: {testTuple6.Item1}, Item 6: {testTuple6.Item6}"); 

var testTuple8 = ValueTuple.Create<int, int, int, int, int, int, int, int>(, , , , , , , );
Console.WriteLine($"Item 1: {testTuple8.Item1}, Item 8: {testTuple8.Rest.Item1}");

注意这里构建出来的Tuple类型其实是Tuple<int, int, int, int, int, int, int, Tuple<int>>，因此testTuple8.Rest取到的数据类型是Tuple<int>，因此要想获取准确值需要取Item1属性。

优化区别：当构造出超过7个元素以上的值元组后，可以使用接下来的ItemX进行访问嵌套元组中的值，对于上面的例子，要访问第十个元素，既可以通过testTuple10.Rest.Item3访问，也可以通过testTuple10.Item10来访问。

var testTuple10 = new ValueTuple<int, int, int, int, int, int, int, ValueTuple<int, int, int>>(, , , , , , , new ValueTuple<int, int, int>(, , ));
Console.WriteLine($"Item 10: {testTuple10.Rest.Item3}, Item 10: {testTuple10.Item10}");

2.    表示一组数据

如下创建一个值元组表示一个学生的三个信息：名字、年龄和身高，而不用单独额外创建一个类。

var studentInfo = ValueTuple.Create<string, int, uint>("Bob", , );
Console.WriteLine($"Student Information: Name [{studentInfo.Item1}], Age [{studentInfo.Item2}], Height [{studentInfo.Item3}]");

3.    从方法返回多个值

值元组也可以在函数定义中代替out参数返回多个值。

static ValueTuple<string, int, uint> GetStudentInfo(string name)
{
    return new ValueTuple<string, int, uint>("Bob", , );
}

static void Main()
{
    var studentInfo = GetStudentInfo("Bob");
    Console.WriteLine($"Student Information: Name [{studentInfo.Item1}], Age [{studentInfo.Item2}], Height [{studentInfo.Item3}]");
}

优化区别：返回值可以不明显指定ValueTuple，使用新语法(,,)代替，如(string, int, uint)：

static (string, int, uint) GetStudentInfo1(string name)
{
    return ("Bob", , );
}

static void Main()
{
    var studentInfo = GetStudentInfo1("Bob");
    Console.WriteLine($"Student Information: Name [{studentInfo.Item1}], Age [{studentInfo.Item2}], Height [{studentInfo.Item3}]");
}

调试查看studentInfo的类型就是ValueType三元组。

优化区别：返回值可以指定元素名字，方便理解记忆赋值和访问：

static (string name, int age, uint height) GetStudentInfo1(string name)
{
    return ("Bob", , );
}

static void Main()
{
    var studentInfo = GetStudentInfo1("Bob");
    Console.WriteLine($"Student Information: Name [{studentInfo.name}], Age [{studentInfo.age}], Height [{studentInfo.height}]");
}

方便记忆赋值：

方便访问：

4.    用于单参数方法的多值传递

当函数参数仅是一个Object类型时，可以使用值元组实现传递多个值。

static void WriteStudentInfo(Object student)
{
    var studentInfo = (ValueTuple<string, int, uint>)student;
    Console.WriteLine($"Student Information: Name [{studentInfo.Item1}], Age [{studentInfo.Item2}], Height [{studentInfo.Item3}]");
}

static void Main()
{
    var t = new System.Threading.Thread(new System.Threading.ParameterizedThreadStart(WriteStudentInfo));
    t.Start(new ValueTuple<string, int, uint>("Bob", , ));
    while (t.IsAlive)
    {
        System.Threading.Thread.Sleep();
    }
}

5.    解构ValueTuple

可以通过var (x, y)或者(var x, var y)来解析值元组元素构造局部变量，同时可以使用符号”_”来忽略不需要的元素。

static (string name, int age, uint height) GetStudentInfo1(string name)
{
    return ("Bob", , );
}

static void Main()
{
    var (name, age, height) = GetStudentInfo1("Bob");
    Console.WriteLine($"Student Information: Name [{name}], Age [{age}], Height [{height}]");

    (var name1, var age1, var height1) = GetStudentInfo1("Bob");
    Console.WriteLine($"Student Information: Name [{name1}], Age [{age1}], Height [{height1}]");

    var (_, age2, _) = GetStudentInfo1("Bob");
    Console.WriteLine($"Student Information: Age [{age2}]");
}

由上所述，ValueTuple使C#变得更简单易用。较Tuple相比主要好处如下：

• ValueTuple支持函数返回值新语法”(,,)”，使代码更简单；
• 能够给元素命名，方便使用和记忆，这里需要注意虽然命名了，但是实际上value tuple没有定义这样名字的属性或者字段，真正的名字仍然是ItemX，所有的元素名字都只是设计和编译时用的，不是运行时用的（因此注意对该类型的序列化和反序列化操作）；
• 可以使用解构方法更方便地使用部分或全部元组的元素；
• 值元组是值类型，使用起来比引用类型的元组效率高，并且值元组是有比较方法的，可以用于比较是否相等，详见：https://msdn.microsoft.com/en-us/library/system.valuetuple。