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C#源生成器：讓你的代碼飛起來(lái)的黑科技

大家好，我是token。今天想和大家聊聊C#源生成器這個(gè)神奇的技術(shù)。
說(shuō)起源生成器，可能很多同學(xué)會(huì)想：又是什么新的輪子？我反射用得好好的，為什么要學(xué)這個(gè)？別急，看完這篇文章，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)源生成器簡(jiǎn)直是性能優(yōu)化的救命稻草，能讓你的應(yīng)用快到飛起。

源生成器到底是個(gè)啥？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，源生成器就是一個(gè)在編譯時(shí)幫你寫(xiě)代碼的小助手。想象一下，你有一個(gè)非常勤快的實(shí)習(xí)生，每次編譯的時(shí)候，他都會(huì)根據(jù)你的要求自動(dòng)生成一堆代碼，而且生成的代碼質(zhì)量還特別高。

傳統(tǒng)的做法是什么樣的呢？比如你想做個(gè)序列化：

// 老式做法：運(yùn)行時(shí)反射，慢得像蝸牛
var json = JsonSerializer.Serialize(person); // 內(nèi)部大量反射調(diào)用

而源生成器的做法是：

// 編譯時(shí)就生成好了序列化代碼，快得像火箭
var json = JsonSerializer.Serialize(person, PersonContext.Default.Person);

看起來(lái)差不多，但實(shí)際性能差了一個(gè)天地。

為什么源生成器這么快？

數(shù)據(jù)說(shuō)話最有說(shuō)服力。在序列化場(chǎng)景中，傳統(tǒng)反射需要734.563納秒，而源生成器只需要6.253納秒。這是117倍的性能提升！

為什么會(huì)有這么大的差距呢？

反射的痛點(diǎn)：

運(yùn)行時(shí)才開(kāi)始分析類(lèi)型結(jié)構(gòu)
需要緩存和管理大量元數(shù)據(jù)
每次調(diào)用都有裝箱拆箱的開(kāi)銷(xiāo)
GC壓力山大

源生成器的優(yōu)勢(shì)：

編譯時(shí)就把所有工作做完了
生成的代碼直接調(diào)用，沒(méi)有中間層
零反射，零裝箱
內(nèi)存占用更低

就像是你要做一道菜，反射是現(xiàn)場(chǎng)買(mǎi)菜現(xiàn)場(chǎng)切，而源生成器是提前把所有食材都準(zhǔn)備好，直接下鍋。

第一個(gè)源生成器：Hello World

讓我們來(lái)寫(xiě)一個(gè)最簡(jiǎn)單的源生成器。首先創(chuàng)建一個(gè)新的類(lèi)庫(kù)項(xiàng)目：

<Project Sdk="Microsoft.NET.Sdk">
  <PropertyGroup>
    <TargetFramework>netstandard2.0</TargetFramework>
    <IsRoslynComponent>true</IsRoslynComponent>
    <IncludeBuildOutput>false</IncludeBuildOutput>
  </PropertyGroup>
  
  <ItemGroup>
    <PackageReference Include="Microsoft.CodeAnalysis.CSharp" Version="4.5.0" PrivateAssets="all" />
    <PackageReference Include="Microsoft.CodeAnalysis.Analyzers" Version="3.3.4" PrivateAssets="all" />
  </ItemGroup>
</Project>

然后寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的生成器：

[Generator]
public class HelloWorldGenerator : ISourceGenerator
{
    public void Initialize(GeneratorInitializationContext context)
    {
        // 初始化，一般用不到
    }

    public void Execute(GeneratorExecutionContext context)
    {
        var sourceCode = @"
namespace Generated
{
    public static class HelloWorld
    {
        public static string SayHello() => ""Hello from Source Generator!"";
    }
}";
        context.AddSource("HelloWorld.g.cs", sourceCode);
    }
}

在消費(fèi)項(xiàng)目中引用這個(gè)生成器：

<ProjectReference Include="../HelloWorldGenerator/HelloWorldGenerator.csproj" 
                  OutputItemType="Analyzer" 
                  ReferenceOutputAssembly="false" />

現(xiàn)在你可以直接使用生成的代碼：

using Generated;

Console.WriteLine(HelloWorld.SayHello()); // 輸出: Hello from Source Generator!

進(jìn)階技巧：增量源生成器

上面的例子雖然能工作，但在大型項(xiàng)目中會(huì)有性能問(wèn)題。每次編譯都會(huì)重新生成所有代碼，就像每次做飯都要重新洗所有的鍋一樣浪費(fèi)。

這時(shí)候就要用到增量源生成器了。它采用了類(lèi)似React的虛擬DOM的思想，只有變化的部分才會(huì)重新生成：

[Generator]
public class SmartPropertyGenerator : IIncrementalGenerator
{
    public void Initialize(IncrementalGeneratorInitializationContext context)
    {
        // 只關(guān)注有特定屬性的類(lèi)
        var pipeline = context.SyntaxProvider
            .ForAttributeWithMetadataName(
                "MyNamespace.GeneratePropertiesAttribute",
                predicate: static (node, _) => node is ClassDeclarationSyntax,
                transform: static (ctx, _) => GetClassInfo(ctx))
            .Where(static m => m is not null);
        
        context.RegisterSourceOutput(pipeline, GenerateProperties);
    }
    
    private static ClassInfo? GetClassInfo(GeneratorAttributeSyntaxContext context)
    {
        var classDeclaration = (ClassDeclarationSyntax)context.TargetNode;
        var symbol = context.TargetSymbol as INamedTypeSymbol;
        
        return new ClassInfo(
            Name: symbol.Name,
            Namespace: symbol.ContainingNamespace.ToDisplayString()
        );
    }
    
    private static void GenerateProperties(SourceProductionContext context, ClassInfo classInfo)
    {
        var source = $@"
namespace {classInfo.Namespace}
{{
    partial class {classInfo.Name}
    {{
        public string GeneratedProperty {{ get; set; }} = ""Auto-generated!"";
    }}
}}";
        context.AddSource($"{classInfo.Name}.Properties.g.cs", source);
    }
}

public record ClassInfo(string Name, string Namespace);

使用的時(shí)候只需要加個(gè)屬性：

[GenerateProperties]
public partial class Person
{
    public string Name { get; set; }
    // GeneratedProperty 會(huì)被自動(dòng)生成
}

實(shí)戰(zhàn)案例：FastService的妙用

說(shuō)到實(shí)際應(yīng)用，不得不提一下FastService這個(gè)項(xiàng)目。它用源生成器簡(jiǎn)化了ASP.NET Core的API開(kāi)發(fā)，讓你寫(xiě)API就像寫(xiě)普通方法一樣簡(jiǎn)單。

傳統(tǒng)的Minimal API寫(xiě)法：

app.MapGet("/api/users", async (UserService service) => 
{
    return await service.GetUsersAsync();
});

app.MapPost("/api/users", async (CreateUserRequest request, UserService service) =>
{
    return await service.CreateUserAsync(request);
});

// 還有一大堆路由配置...

用了FastService之后：

[Route("/api/users")]
[Tags("用戶(hù)管理")]
public class UserService : FastApi
{
    [EndpointSummary("獲取用戶(hù)列表")]
    public async Task<List<User>> GetUsersAsync()
    {
        return await GetAllUsersAsync();
    }
    
    [EndpointSummary("創(chuàng)建用戶(hù)")]
    public async Task<User> CreateUserAsync(CreateUserRequest request)
    {
        return await SaveUserAsync(request);
    }
}

源生成器會(huì)自動(dòng)分析方法名，推斷HTTP方法類(lèi)型：

Get* → GET請(qǐng)求
Create*, Add*, Post* → POST請(qǐng)求
Update*, Edit*, Put* → PUT請(qǐng)求
Delete*, Remove* → DELETE請(qǐng)求

然后生成對(duì)應(yīng)的路由注冊(cè)代碼。這樣既保持了強(qiáng)類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)，又大大簡(jiǎn)化了代碼編寫(xiě)。

性能優(yōu)化的秘密武器

在開(kāi)發(fā)源生成器時(shí)，有幾個(gè)性能優(yōu)化的小技巧：

1. 早期過(guò)濾

不要什么節(jié)點(diǎn)都分析，先用謂詞函數(shù)過(guò)濾掉不需要的：

var pipeline = context.SyntaxProvider
    .CreateSyntaxProvider(
        predicate: static (node, _) => node is ClassDeclarationSyntax cls && 
                                      cls.AttributeLists.Count > 0, // 只看有屬性的類(lèi)
        transform: static (ctx, _) => TransformNode(ctx))

2. 使用值類(lèi)型數(shù)據(jù)模型

千萬(wàn)不要在數(shù)據(jù)模型中保存Syntax或ISymbol對(duì)象，它們不能被正確緩存：

// ? 錯(cuò)誤做法
public record ClassInfo(ClassDeclarationSyntax Syntax, INamedTypeSymbol Symbol);

// ? 正確做法
public readonly record struct ClassInfo(
    string Name,
    string Namespace,
    EquatableArray<PropertyInfo> Properties);

3. 對(duì)象池優(yōu)化

對(duì)于頻繁創(chuàng)建的對(duì)象，使用對(duì)象池：

private static readonly ObjectPool<StringBuilder> _stringBuilderPool = 
    new DefaultObjectPool<StringBuilder>(new StringBuilderPooledObjectPolicy());

private static string GenerateCode(ClassInfo info)
{
    var sb = _stringBuilderPool.Get();
    try
    {
        sb.AppendLine($"namespace {info.Namespace}");
        // 生成代碼...
        return sb.ToString();
    }
    finally
    {
        _stringBuilderPool.Return(sb);
    }
}

調(diào)試技巧：不再抓瞎

源生成器的調(diào)試曾經(jīng)是個(gè)大難題，但現(xiàn)在有了不少好用的技巧。

1. 斷點(diǎn)調(diào)試

在源生成器代碼中加入：

public void Initialize(IncrementalGeneratorInitializationContext context)
{
#if DEBUG
    if (!Debugger.IsAttached)
    {
        Debugger.Launch(); // 會(huì)彈出調(diào)試器選擇界面
    }
#endif
}

2. 查看生成的代碼

在項(xiàng)目文件中加入：

<PropertyGroup>
  <EmitCompilerGeneratedFiles>true</EmitCompilerGeneratedFiles>
  <CompilerGeneratedFilesOutputPath>Generated</CompilerGeneratedFilesOutputPath>
</PropertyGroup>

編譯后，生成的代碼會(huì)保存在Generated文件夾中，你可以直接查看。

3. 單元測(cè)試

寫(xiě)個(gè)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證生成器的行為：

[Test]
public void Should_Generate_Property_For_Marked_Class()
{
    var source = @"
using MyNamespace;

[GenerateProperties]
public partial class TestClass
{
}";

    var result = RunGenerator(source);
    
    Assert.That(result, Contains.Substring("public string GeneratedProperty"));
}

常見(jiàn)陷阱與避坑指南

開(kāi)發(fā)源生成器時(shí)，有幾個(gè)坑是新手經(jīng)常掉進(jìn)去的：

1. 命名空間沖突

生成的代碼可能和現(xiàn)有代碼沖突，記得加上合適的命名空間或者前綴：

// 生成的代碼加上特殊前綴
var className = $"Generated_{originalClassName}";

2. 編譯錯(cuò)誤處理

當(dāng)生成的代碼有語(yǔ)法錯(cuò)誤時(shí)，編譯器的錯(cuò)誤信息可能不夠清晰。建議在生成器中添加診斷信息：

public static readonly DiagnosticDescriptor InvalidClassError = new(
    id: "SG001",
    title: "Invalid class for generation",
    messageFormat: "The class '{0}' must be partial to use this generator",
    category: "SourceGenerator",
    DiagnosticSeverity.Error,
    isEnabledByDefault: true);

// 在生成器中使用
context.ReportDiagnostic(Diagnostic.Create(InvalidClassError, location, className));

3. 增量生成緩存失效

如果數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能導(dǎo)致緩存頻繁失效：

// ? 這樣會(huì)導(dǎo)致緩存失效，因?yàn)镃ompilation對(duì)象每次都不同
var hasRef = context.Compilation.Select(comp => comp.ReferencedAssemblyNames.Any(...));

// ? 正確的做法
var hasRef = context.CompilationProvider.Select(comp => 
    comp.ReferencedAssemblyNames.Select(name => name.Name).OrderBy(x => x).ToArray());

生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前已經(jīng)有不少成熟的源生成器項(xiàng)目：

System.Text.Json - 微軟官方的JSON序列化優(yōu)化
Mapperly - 對(duì)象映射生成器
FastService - API開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)化
StronglyTypedId - 強(qiáng)類(lèi)型ID生成
Meziantou.Framework.StronglyTypedId - 另一個(gè)強(qiáng)類(lèi)型ID實(shí)現(xiàn)

這些項(xiàng)目都是學(xué)習(xí)源生成器的好例子，推薦大家去看看源碼。

總結(jié)

源生成器真的是一個(gè)很酷的技術(shù)。它不僅能大幅提升應(yīng)用性能，還能讓我們寫(xiě)出更簡(jiǎn)潔、更高效的代碼。雖然學(xué)習(xí)曲線有點(diǎn)陡峭，但一旦掌握了，你會(huì)發(fā)現(xiàn)很多以前覺(jué)得復(fù)雜的問(wèn)題都能用源生成器優(yōu)雅地解決。

如果你還在用傳統(tǒng)的反射做序列化、映射這些工作，不妨試試源生成器。相信我，一旦體驗(yàn)過(guò)那種編譯時(shí)生成代碼的快感，你就再也回不去了。

最后，學(xué)習(xí)新技術(shù)最好的方法就是動(dòng)手實(shí)踐。建議大家從簡(jiǎn)單的Hello World開(kāi)始，然后逐步嘗試更復(fù)雜的場(chǎng)景。記住，代碼是寫(xiě)給人看的，源生成器也不例外。寫(xiě)出清晰、可維護(hù)的生成器代碼，比寫(xiě)出復(fù)雜炫技的代碼更有價(jià)值。

Happy coding！

posted on 2025-07-12 00:31 239573049 閱讀(2075) 評(píng)論(2) 收藏舉報(bào)

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