C# 面试题 - 大佬版代码片段

CodeSnippet.Cn
代码片段

C# 面试题 - 大佬版

Csharp 小笨蛋发布于：2023年06月07日更新于：2023年06月07日 143

### 先略看题目：

1.  请简述`async`函数的编译方式
2.  请简述`Task`状态机的实现和工作机制
3.  请简述`await`的作用和原理，并说明和`GetResult()`有什么区别
4.  `Task`和`Thread`有区别吗？如果有请简述区别
5.  简述`yield`的作用
6.  利用`IEnumerable<T>`实现斐波那契数列生成
7.  简述`stackless coroutine`和`stackful coroutine`的区别，并指出`C#`的`coroutine`是哪一种
8.  请简述`SelectMany`的作用
9.  请实现一个函数`Compose`用于将多个函数复合
10.  实现`Maybe<T>` `monad`，并利用`LINQ`实现对`Nothing`（空值）和`Just`（有值）的求和
11.  简述`LINQ`的`lazy computation`机制
12.  利用`SelectMany`实现两个数组中元素的两两相加
13.  请为三元函数实现柯里化
14.  请简述`ref struct`的作用
15.  请简述`ref return`的使用方法
16.  请利用`foreach`和`ref`为一个数组中的每个元素加`1`
17.  请简述`ref`、`out`和`in`在用作函数参数修饰符时的区别
18.  请简述非`sealed`类的`IDisposable`实现方法
19.  `delegate`和`event`本质是什么？请简述他们的实现机制
 
## 解析：

### 1. 请简述`async`函数的编译方式

`async`/`await`是`C# 5.0`推出的异步代码编程模型，其本质是编译为状态机。`只要`函数前带上`async`，`就会`将函数转换为状态机。

### 2. 请简述`Task`状态机的实现和工作机制

`CPS`全称是`Continuation Passing Style`，在`.NET`中，它会自动编译为：

1.  将所有引用的局部变量做成闭包，放到一个隐藏的`状态机`的类中；
2.  将所有的`await`展开成一个状态号，有几个`await`就有几个状态号；
3.  每次执行完一个状态，都重复回调`状态机`的`MoveNext`方法，同时指定下一个状态号；
4.  `MoveNext`方法还需处理线程和异常等问题。

### 3. 请简述`await`的作用和原理，并说明和`GetResult()`有什么区别

从状态机的角度出发，`await`的本质是调用`Task.GetAwaiter()`的

```
UnsafeOnCompleted(Action)
```

回调，并指定下一个状态号。

从多线程的角度出发，如果`await`的`Task`需要在新的线程上执行，该状态机的`MoveNext()`方法会`立即返回`，此时，`主线程被释放出来了`，然后在`UnsafeOnCompleted`回调的`action`指定的线程上下文中继续`MoveNext()`和下一个状态的代码。

而相比之下，`GetResult()`就是在当前线程上立即等待`Task`的完成，在`Task`完成前，当前线程`不会释放`。

> 注意：`Task`也可能不一定在新的线程上执行，此时用`GetResult()`或者`await`就只有会不会创建状态机的区别了。

### 4. `Task`和`Thread`有区别吗？如果有请简述区别

`Task`和`Thread`都能创建用多线程的方式执行代码，但它们有较大的区别。

`Task`较新，发布于`.NET 4.5`，能结合新的`async/await`代码模型写代码，它不止能创建新线程，还能使用线程池（默认）、单线程等方式编程，在`UI`编程领域，`Task`还能自动返回`UI`线程上下文，还提供了许多便利`API`以管理多个`Task`，用表格总结如下：

| 区别          | Task  | Thread |
| ------------- | ----- | ------ |
| `.NET`版本    | `4.5` | `1.1`  |
| `async/await` | 支持  | 不支持 |
| 创建新线程    | 支持  | 支持   |
| 线程池/单线程 | 支持  | 不支持 |
| 返回主线程    | 支持  | 不支持 |
| 管理API       | 支持  | 不支持 |

`TL;DR`就是，用`Task`就对了。

### 5. 简述`yield`的作用

`yield`需配合`IEnumerable<T>`一起使用，能在一个函数中支持多次（不是多个）返回，其本质和`async/await`一样，也是状态机。

如果不使用`yield`，需实现`IEnumerable<T>`，它只暴露了`GetEnumerator<T>`，这样确保`yield`是可重入的，比较符合人的习惯。

> 注意，其它的语言，如`C++`/`Java`/`ES6`实现的`yield`，都叫`generator`（生成器），这相当于`.NET`中的`IEnumerator<T>`（而不是`IEnumerable<T>`）。这种设计导致`yield`不可重入，`只要其迭代过一次，就无法重新迭代了`，需要注意。

### 6. 利用`IEnumerable<T>`实现斐波那契数列生成

```
IEnumerable<int> GenerateFibonacci(int n)
{
	int current = 1, next = 1;

for (int i = 0; i < n; ++i)
	{
		yield return current;
		next = current + (current = next);
	}
}
```

### 7. 简述`stackless coroutine`和`stackful coroutine`的区别，并指出`C#`的`coroutine`是哪一种

`stackless`和`stackful`对应的是协程中栈的内存，`stackless`表示栈内存位置不固定，而`stackful`则需要分配一个固定的栈内存。

在`继续执行`（`Continuation`/`MoveNext()`）时，`stackless`需要编译器生成代码，如闭包，来自定义`继续执行`逻辑；而`stackful`则直接从原栈的位置`继续执行`。

性能方面，`stackful`的中断返回需要依赖控制`CPU`的跳转位置来实现，属于骚操作，会略微影响`CPU`的分支预测，从而影响性能（但影响不算大），这方面`stackless`无影响。

内存方面，`stackful`需要分配一个固定大小的栈内存（如`4kb`），而`stackless`只需创建带一个状态号变量的状态机，`stackful`占用的内存更大。

骚操作方面，`stackful`可以轻松实现完全一致的递归/异常处理等，没有任何影响，但`stackless`需要编译器作者高超的技艺才能实现（如`C#`的作者），注意最初的`C# 5.0`在`try-catch`块中是不能写`await`的。

和已有组件结合/框架依赖方面，`stackless`需要定义一个状态机类型，如`Task<T>`/`IEnumerable<T>`/`IAsyncEnumerable<T>`等，而`stackful`不需要，因此这方面`stackless`较麻烦。

`Go`属于`stackful`，因此每个`goroutine`需要分配一个固定大小的内存。

`C#`属于`stackless`，它会创建一个闭包和状态机，需要编译器生成代码来指定`继续执行`逻辑。

总结如下：

| 功能       | `stackless` | `stackful`           |
| ---------- | ----------- | -------------------- |
| 内存位置   | 不固定      | 固定                 |
| 继续执行   | 编译器定义  | CPU跳转              |
| 性能/速度  | `快`        | 快，但影响分支预测   |
| 内存占用   | `低`        | 需要固定大小的栈内存 |
| 编译器难度 | 难          | `适中`               |
| 组件依赖   | 不方便      | `方便`               |
| 嵌套       | 不支持      | `支持`               |
| 举例       | `C#`/`js`   | `Go`/`C++ Boost`     |

### 8. 请简述`SelectMany`的作用

相当于`js`中数组的`flatMap`，意思是将序列中的`每一条数据`，转换为`0到多条`数据。

`SelectMany`可以实现过滤/`.Where`，方法如下：

```
public static IEnumerable<T> MyWhere<T>(this IEnumerable<T> seq, Func<T, bool> predicate)
{
    return seq.SelectMany(x => predicate(x) ? 
        new[] { x } : 
        Enumerable.Empty<T>());
}
```

`SelectMany`是`LINQ`中`from`关键字的组成部分，这一点将在第`10`题作演示。

### 9. 请实现一个函数`Compose`用于将多个函数复合

```
public static Func<T1, T3> Compose<T1, T2, T3>(this Func<T1, T2> f1, Func<T2, T3> f2)
{
    return x => f2(f1(x));
}
```

然后使用方式：

```
Func<int, double> log2 = x => Math.Log2(x);
Func<double, string> toString = x => x.ToString();

var log2ToString = logCompose(toString);

Console.WriteLine(log2ToString(16)); // 4
```

### 10. 实现`Maybe<T>` `monad`，并利用`LINQ`实现对`Nothing`（空值）和`Just`（有值）的求和

本题比较难懂，经过和大佬确认，本质是要实现如下效果：

```
void Main()
{
	Maybe<int> a = Maybe.Just(5);
	Maybe<int> b = Maybe.Nothing<int>();
	Maybe<int> c = Maybe.Just(10);

(from a0 in a from b0 in b select a0 + b0).Dump(); // Nothing
	(from a0 in a from c0 in c select a0 + c0).Dump(); // Just 15
}
```

按照我猴子进化来的大脑的理解，应该很自然地能写出如下代码：

```
public class Maybe<T> : IEnumerable<T>
{
	public bool HasValue { get; set; }
	public T Value { get; set;}
	
	IEnumerable<T> ToValue()
	{
		if (HasValue) yield return Value;
	}

public IEnumerator<T> GetEnumerator()
	{
		return ToValue().GetEnumerator();
	}

IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
	{
		return ToValue().GetEnumerator();
	}
}

public class Maybe
{
	public static Maybe<T> Just<T>(T value)
	{
		return new Maybe<T> { Value = value, HasValue = true};
	}
	
	public static Maybe<T> Nothing<T>()
	{
		return new Maybe<T>();
	}
}
```

这种很自然，通过继承`IEnumerable<T>`来实现`LINQ to Objects`的基本功能，但却是错误答案。

正确答案：

```
public struct Maybe<T>
{
	public readonly bool HasValue;
	public readonly T Value;

public Maybe(bool hasValue, T value)
	{
		HasValue = hasValue;
		Value = value;
	}

public Maybe<B> SelectMany<TCollection, B>(Func<T, Maybe<TCollection>> collectionSelector, Func<T, TCollection, B> f)
	{
		if (!HasValue) return Maybe.Nothing<B>();

Maybe<TCollection> collection = collectionSelector(Value);
		if (!collection.HasValue) return Maybe.Nothing<B>();

return Maybe.Just(f(Value, collection.Value));
	}

public override string ToString() => HasValue ? $"Just {Value}" : "Nothing";
}

public class Maybe
{
	public static Maybe<T> Just<T>(T value)
	{
		return new Maybe<T>(true, value);
	}

public static Maybe<T> Nothing<T>()
	{
		return new Maybe<T>();
	}
}
```

> 注意：  
首先这是一个函数式编程的应用场景，它应该使用`struct`——值类型。

> 其次，不是所有的`LINQ`都要走`IEnumerable<T>`，可以用手撸的`LINQ`表达式——`SelectMany`来表示。（关于这一点，其实特别重要，我稍后有空会深入聊聊这一点。）

## 总结

> 这些技术平时可能比较冷门，全部能回答正确也并不意味着会有多有用，可能很难有机会用上。

> 但如果是在开发像`ASP.NET Core`那样的超高性能网络服务器、中间件，或者`Unity 3D`那样的高性能游戏引擎、或者做一些高性能实时`ETL`之类的，就能依靠这些知识，做出比肩甚至超过`C`/`C++`的性能，同时还能享受`C#`/`.NET`便利性的产品。

这里⇓感觉得写点什么，要不显得有点空，但还没想好写什么... 返回顶部