为什么我不能返回对字典值的引用？

Question

public class PropertyManager
{
    private Dictionary<ElementPropertyKey, string> _values = new Dictionary<ElementPropertyKey, string>();
    private string[] _values2 = new string[1];
    private List<string> _values3 = new List<string>();
    public PropertyManager()
    {
        _values[new ElementPropertyKey(5, 10, "Property1")] = "Value1";
        _values2[0] = "Value2";
        _values3.Add("Value3");
    }

    public ref string GetPropertyValue(ElementPropertyKey key)
    {
        return ref _values[key]; //Does not compile. Error: An expression cannot be used in this context because it may not be returned by reference.         
    }

    public ref string GetPropertyValue2(ElementPropertyKey key)
    {
        return ref _values2[0]; //Compiles
    }

    public ref string GetPropertyValue3(ElementPropertyKey key)
    {
        return ref _values3[0]; //Does not compile. Error: An expression cannot be used in this context because it may not be returned by reference.
    }
}

在上面的示例中，GetPropertyValue2 编译，但 GetPropertyValue 和 GetPropertyValue3 不编译。 从字典或列表返回一个值作为参考有什么问题，而它确实适用于数组？

Answer 1

我想将我的答案添加到“锅”中，也许它会使事情更清楚一点。 那么，为什么这不适用于列表和字典呢？好吧，如果你有这样一段代码：

static string Test()
{
   Dictionary<int, string> s = new Dictionary<int, string>();
   return s[0];
}

这（在调试模式下）转换为这个 IL 代码：

IL_0000: nop
IL_0001: newobj instance void class [mscorlib]System.Collections.Generic.Dictionary`2<int32, string>::.ctor()
IL_0006: stloc.0
IL_0007: ldloc.0
IL_0008: ldc.i4.0
IL_0009: callvirt instance !1 class [mscorlib]System.Collections.Generic.Dictionary`2<int32, string>::get_Item(!0)
IL_000e: stloc.1
IL_000f: br.s IL_0011

IL_0011: ldloc.1
IL_0012: ret

这反过来意味着你对一行代码（return s[0]）所做的实际上是一个三步过程：调用方法，将返回值存储在局部变量中，然后返回存储的值在那个局部变量中。而且，正如其他人提供的链接所指出的那样，不可能通过引用返回局部变量（除非局部变量是 ref 局部变量，但正如其他人再次指出的那样，因为 Diciotionary<TKey,TValue> 和 List<T>没有按引用返回 API，这也不可能）。

现在，为什么它适用于数组？如果您查看如何更密切地处理数组索引（即在 IL 代码级别），您会发现没有用于数组索引的方法调用。取而代之的是，一个特殊的操作码被添加到名为 ldelem 的代码中（或它的一些变体）。像这样的代码：

 static string Test()
 {
    string[] s = new string[2];
    return s[0];
 }

在 IL 中翻译为：

IL_0000: nop
IL_0001: ldc.i4.2
IL_0002: newarr [mscorlib]System.String
IL_0007: stloc.0
IL_0008: ldloc.0
IL_0009: ldc.i4.0
IL_000a: ldelem.ref
IL_000b: stloc.1
IL_000c: br.s IL_000e

IL_000e: ldloc.1
IL_000f: ret

当然，这看起来和字典一样，但我认为关键区别在于这里的索引器生成一个 IL-native 调用，而不是属性（即方法）调用。如果您查看 MSDN here 上所有可能的 ldelem 变体，您会发现有一个名为 ldelema 的变体可以将元素的地址直接加载到堆中。事实上，如果你写一段这样的代码：

static ref string Test()
{
   string[] s = new string[2];
   return ref s[0];
}

这将转换为以下 IL 代码，利用直接引用加载 ldelema 操作码：

IL_0000: nop
IL_0001: ldc.i4.2
IL_0002: newarr [mscorlib]System.String
IL_0007: stloc.0
IL_0008: ldloc.0
IL_0009: ldc.i4.0
IL_000a: ldelema [mscorlib]System.String
IL_000f: stloc.1
IL_0010: br.s IL_0012

IL_0012: ldloc.1
IL_0013: ret

所以基本上，数组索引器是不同的，并且在底层，数组支持通过本机 IL 调用引用评估堆栈来加载元素。由于Dictionary<TKey,TValue> 和其他集合将索引器实现为属性，这会导致方法调用，因此只有在调用的方法显式指定 ref 返回时它们才能这样做。