リリース時期	2020/11
同世代技術	.NET 5.0
要約・目玉機能	レコード型

レコード型

C# 9.0 で、レコード型(records)という新しい種類の型が追加されました。 record (記録)という名前通り、データの読み書きに使うことを意図した型です。 例えば以下のような書き方で、「Name という文字列と Birthday という日付」を読み書きできます。

using System;
 
record Person(string Name, DateTime birthday);

詳しくは「レコード型」で説明します。

init-only プロパティ

以下のように init という新しいアクセサーを使って、「オブジェクト初期化子までは書き換え可能で、それ以降は書き換えできないプロパティ」を作れるようになりました。

var p = new Point { X = 1, Y = 2 };
p.X = 3; // ダメ。
 
class Point
{
    public int X { get; init; }
    public int Y { get; init; }
}

readonly の制限が厳しすぎるので、問題ない範囲でちょっとだけ制限を緩めたもです。 (歴史的経緯で init という新キーワードが使われていますが、もし C# をフルスクラッチで作り直せるなら readonly が最初から init 相当の仕様になっていたと思います。)

詳しくは「init-only プロパティ」で説明します。

トップ レベル ステートメント

トップ レベル(top-leve: クラスや名前空間よりも外側、ファイル直下)にステートメントを直接書けるようになりました。

例えばよくある「Hello World」であれば、単に以下のように書けるようになります。

using System;
Console.WriteLine("Hello World!");

詳しくは「トップ レベル ステートメント」で説明します。

パターンの追加

C# 7.0から脈々と改善されてきたパターン マッチングですが、 C# 9.0 でもいくつかのパターンが追加されています。

// not, and, or や、 <, <=, >, >= などのパターンが増えた。
int M(uint x) => x switch
{
    0 or 2 or 4 or 6 or 8 => 0,
    1 or 3 or 5 or 7 or 9 => 1,
    >= 10 => -1,
};

3世代かけてようやく当初予定(C# に追加すること自体は最初から決めていた機能)が全て入りました。 当初から予定に入ってたのは、既存のいくつかのプログラミング言語が同様の文法を持っていて、 網羅性や重複の検査を含めて実装手段が既知で、検討コストが低いからです。 それでも、需要が高いものから少しずつ実装した結果、3世代に分かれました。 3世代目なことを指して「パターン v3」(patterns v3)という俗称があったりもします。

詳しくは「パターン マッチング」で説明します。 C# 9.0 で追加されているのは以下の3つです。

• 型パターンの簡単化
• パターンの組み合わせ
• 関係演算パターン

ターゲット型推論の強化

ターゲットからの new 型推論

ターゲット型からの推論が効く場合に、new T() の T の部分を省略できるようになりました。 (target-typed new とか呼ばれたりします。)

特に、var が使えず、 型名が長い特に便利です。

using System.Collections.Generic;
 
class Sample
{
    // フィールドに対しては var が使えない。
    // 代わりに new 型推論を使うと便利なことがある(特に、型名が長い時)。
    Dictionary<string, List<(int x, int y)>> _cache = new();
}

詳しくは「ターゲットからの new 型推論」で説明します。

条件演算子のターゲット型推論

条件演算子の第2・第3項がターゲット型からの型推論するようになりました。

void M(bool b)
{
    // int? を明示するとコンパイルできる(var だとダメ)。
    int? i = b ? 1 : null;
 
    // Base を明示するとコンパイルできる(var だとダメ)
    Base c = b ? new A() : new B();
}
 
class Base { }
class A : Base { }
class B : Base { }

詳しくは「条件演算子のターゲット型推論」で説明します。 「型の決定」も参考にしてください。

クラスの共変戻り値

仮想メソッドの戻り値に共変性が認められるようになりました。 (機能名の俗称としては、「クラスの共変戻り値」と言ったりします。)

例えば以下のようなコードを書けるようになります。

class Base
{
    public virtual Base Clone() => new Base();
}
 
class Derived : Base
{
    // これの戻り値が Base じゃなくてもよくなった。
    // Derived は常に Base に安全に変換可能なので、 Base Clone() の override として Derived Clone() を使える。
    public override Derived Clone() => new Derived();
}

詳しくは「多態性/戻り値の共変性」で説明します。

unsafe/ネイティブ相互運用向け機能

C# 7.2の辺りから、 言語の方向性として生産性や安全性を優先する C# でも、 パフォーマンス改善を目的とするような言語機能が結構増えてきました。

また、 クロスプラットフォーム化が進んだことで、ネイティブ相互運用関連の機能も増えています。

この手の機能は一般的な開発者が直接触れることは少ないですが、 .NET ランタイム自体や、大規模に使われているライブラリのパフォーマンス改善につながり、 間接的にすべての C# 開発者が恩恵を受けるものになります。

ローカル変数の0初期化抑止

/unsafe オプション指定時限定ですが、ローカル変数の0初期化を抑止できるようになりました。

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Text.Unicode;
 
m("aあ😀");
 
// この属性を付けると stackalloc の要素の0初期化がなくなる。
[SkipLocalsInit]
static void m(string s)
{
    // UTF-16 の文字数に大して、UTF-8 のバイト数は最大でも3倍以内。
    Span<byte> buffer = stackalloc byte[s.Length * 3];
    Utf8.FromUtf16(s, buffer, out _, out var bytesWritten);
 
    // FromUtf16 の仕様上、bytesWritten バイト目までは必ず上書きされる。
    // 上書きされた部分だけを使う分には0初期化は「余計なお世話」。
    var written = buffer[..bytesWritten];
 
    foreach (var b in written)
    {
        Console.WriteLine(b);
    }
}

詳しくは「ローカル変数の0初期化抑止」で説明します。

関数ポインター

C# で関数ポインターを書けるようになりました。

.NET の内部的にはこれまでも関数ポインターがあったんですが、 それを C# から効率的に呼ぶ手段がありませんでした。 これに対して、C# 9 では delegate* という記法で関数ポインターを扱えるようになりました。

using System.Runtime.InteropServices;

// 関数ポインターを nint で取得。
nint kernel32 = NativeLibrary.Load("kernel32.dll");
nint p = NativeLibrary.GetExport(kernel32, "Beep");

unsafe
{
    // 「関数ポインター型」にキャストして使う。
    // 構文的には delegate* から初めて、 <> の中に引数を戻り値の型を並べる。
    // (戻り値の型が最後。Func<> 風。)
    var fp = (delegate*<uint, uint, int>)p;
    fp(440, 1000);
}

詳しくは「関数ポインター」で説明します。

native int

nint と nuint というキーワードで、「CPU 依存の一番高速に扱える整数」が使えるようになりました。 nint が符号付、nuint が符号なしです。

nint x = 0x1_0000;
x = x * x;

// 32ビット CPU だと 0、64ビット CPU だと 100000000 になるはず。
Console.WriteLine($"{x:X}");

unsafe
{
    // 32ビット CPU だと 4、64ビット CPU だと 8 になるはず。
    Console.WriteLine(sizeof(nint));
}

ちなみに、内部的には IntPtr、UIntPtr (いずれも System 名前空間)にコンパイルされています。 そのため、以下のようなコードはコンパイル エラーになります(引数の型が同じ同名のメソッドが2つあるため)。

class Sample
{
    void M(IntPtr x) { }
    void M(nint x) { }
}

ただ、単純に 「IntPtr、UIntPtr に別名が付いた」というわけではなく、+ などの演算子の挙動が違います。 (※ C# 10 までの話。 C# 11 以降は「nint、nuint は IntPtr、UIntPtr の別名 」という扱いになりました。)

IntPtr の場合は operator +(IntPtr pointer, int offset) しか持っていませんが、 nint の場合は普通に整数としての四則演算が全て行えます。 ちなみに、コンパイラーが IntPtr と nint を区別するため、nint だった場合は NativeInteger 属性(System.Runtime.CompilerServices 名前空間)が付きます。

今更こんな機能が入った背景には、パフォーマンス改善やネイティブ相互運用の強化があります。 例えば、以下のような場面で nint を使っています。

• ネイティブ コード側が CPU 依存幅の整数になっている場合の相互運用
• 配列のインデックス アクセスは nint を使った方が速い (C++ でいう size_t な処理)

その他

null 許容参照型の改善

C# 8.0 で入った null 許容参照型に対してちょっと改善が入っています。 主に以下の2点です。

• 制約なしジェネリック型引数に ? を付けれるようになった
• アノテーション属性に MemberNotNull と MemberNotNullWhen が増えた

ラムダ式の引数を破棄

ラムダ式の引数で、_ を使った値の破棄ができるようになりました。

static void Subscribe(INotifyPropertyChanged source)
{
    // _ を破棄扱いして、2個以上並べられる
    source.PropertyChanged += (_, _) => { };
}

詳細は「値の破棄 - ラムダ式の引数」で説明します。

静的匿名関数

匿名関数に対しても static 修飾子を付けれるようになりました。 「外部の変数を捕獲しない」という意味になります。

using System;
 
int a = 0;
 
// 以下の行は自身の引数しか使っていないので static にしても怒られない。
Func<int, int> ok = static x => x * x;
 
// 以下の行は外側のローカル変数 a を使ってしまったのでコンパイル エラー。
Func<int, int> ng = static x => a * x;

詳しくは「静的匿名関数」で説明します。

ローカル関数への属性適用

ローカル関数に属性を付けられるようになりました。

using System;
using System.Diagnostics.CodeAnalysis;
 
m("", "");
 
static void m(string? a, string? b)
{
    // C# 9.0 からローカル関数に属性を付けれる。
    // C# 8.0 の null 許容参照型がらみで特に有用。
    [return: NotNullIfNotNull("s")]
    string? toLower(string? s) => s?.ToLower();
 
    if (a is not null && b is not null)
    {
        // a, b の null 許容性が、NotNullIfNotNull 属性のおかげで al, bl に伝搬。
        string al = toLower(a);
        string bl = toLower(b);
 
        // a, b が非 null なので、al, bl は非 null で確定済み。改めてのチェック不要。
        Console.WriteLine(al.GetHashCode());
        Console.WriteLine(bl.GetHashCode());
    }
}

拡張メソッドでの GetEnumerator 実装

パターン ベースな foreach、await foreachで、拡張メソッドによる実装ができるようになりました。

ソースコード生成

正確には C# という言語の機能ではなく、「C# 9.0 と同時期に実装された」というだけですが、 C# 9.0 世代の C# コンパイラーにはソースコード生成(source generator)プラグインの作成機能が追加されました。 詳細は「コード解析とコード生成」で説明しています。

これと同時に、ソースコード生成を前提とした文法もいくつか実装されました。

部分メソッドの拡張

ソースコード生成では、手書きでは不完全な C# コードを書いて、 それをソースコード生成で埋めてもらうという状況があり得ます。 C# 9.0 ではそのための文法として、partial キーワードを再利用することにしました。

// (1) 手書き前提のコード
partial class PartialClass
{
    public void M()
    {
        System.Console.WriteLine(
            "PreGeneratedMethod が呼ばれた直後"
            + WantSourceGenerated());
    }
 
    // C# コードが先にあって、これを元にソースコード生成してほしいメソッド。
    private partial string WantSourceGenerated();
}
 
// (2) C# からのソースコード生成が前提のコード
partial class PartialClass
{
    private partial string WantSourceGenerated() => "手書きはしづらしくて、ソースコード生成なら楽な文字列";
}

C# 2.0 の頃からある部分メソッドとの差はアクセシビリティ修飾子の有無です。 private などを付けるかどうかで「コード生成が先」か「手書きが先」かの用途が逆になります。

詳しくは「部分メソッドの拡張」で説明します。

モジュール初期化子

プログラムの実行時、最初に1回だけ呼び出したい処理が必要になることがあります。 「静的コンストラクター」で説明しているように、この静的コンストラクターという機能を使っても「最初に1回だけ呼ばれる」ということができますが、C# 9.0 ではモジュール初期化子という書き方もできるようになりました。

以下のように、ModuleInitilizer 属性(System.Runtime.CompilerServices 名前空間)を付けた静的メソッドを書くと、それが必ず1回呼び出されるようになります。

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
 
class Sample
{
    [ModuleInitializer]
    public static void Init()
    {
        Console.WriteLine("必ず1回だけ呼ばれる");
    }
}

これをモジュール初期化子(module initializer)と呼びます。

ソースコード生成と組み合わせて、これまでならリフレクションに頼らざるを得なかったような処理を、コンパイル時コード生成に置き換えたりできます。 (他にも使い道はありますが、モジュール初期化子導入の最大のモチベーションはこれです。)

詳しくは「モジュール初期化子」で説明します。