使用现实世界的单位而不是类型

Question

我有一个包含许多计算的项目，涉及很多现实世界的单位：

• 距离；
• 温度;
• 流量；
• ……

本项目涉及计算公式复杂、数量众多。

这就是为什么我认为使用温度、距离等自定义类型可以提高代码的可读性。例如：

Temperature x = -55.3;
Meter y = 3;

或者

var x = new Temperature(-55.3);

我尝试创建一个使用双内部值的温度类。

public class Temperature
{
    double _Value = double.NaN;

    public Temperature() { }

    public Temperature(double v) {
        _Value = v;
    }

    public static implicit operator Temperature(double v) {
        return new Temperature(v);
    }
}

但类可以为空。这意味着像 : 这样的东西

Temperature myTemp;

是“正确的”并且将为空。我不想要这个。我不想使用结构，因为它们太有限了：

• 它们不能使用无参数构造函数，也不能使用实例字段初始化器（如 double _Value = double.Nan; ）来定义默认值（我希望默认的底层双精度值是NaN）
• 它们不能从类继承，它们只能实现接口

它们我想知道是否有办法告诉 C#：

Temperature myTemp = 23K; // C# does not implement anything to make K unit...

但我知道 C# 不处理任何自定义单元。

Temperature myTemp = new Kelvin(23); // This might work

所以我想象我可以创建两个继承自Temperature的Celsius和Kelvin类，然后我开始怀疑这个想法是否真的值得，因为它涉及大量的编码和测试。

这就是我想开始的讨论：

在我的代码中使用现实世界单位而不是 .NET 类型是好事还是坏事？有人已经这样了吗？有哪些陷阱和最佳实践？或者我应该最好远离这种情况并使用标准 .NET 类型？

Answer 1

为什么不尝试一个看起来像这样的结构：

/// <summary>
/// Temperature class that uses a base unit of Celsius
/// </summary>
public struct Temp
{
    public static Temp FromCelsius(double value)
    {
        return new Temp(value);
    }

    public static Temp FromFahrenheit(double value)
    {
        return new Temp((value - 32) * 5 / 9);
    }

    public static Temp FromKelvin(double value)
    {
        return new Temp(value - 273.15);
    }

    public static Temp operator +(Temp left, Temp right)
    {
        return Temp.FromCelsius(left.Celsius + right.Celsius);
    }

    private double _value;

    private Temp(double value)
    {
        _value = value;
    }

    public double Kelvin
    {
        get { return _value + 273.15; }
    }

    public double Celsius
    {
        get { return _value; }
    }

    public double Fahrenheit
    {
        get { return _value / 5 * 9 + 32; }
    }
}

然后像这样使用它：

    static void Main(string[] args)
    {
        var c = Temp.FromCelsius(30);
        var f = Temp.FromFahrenheit(20);
        var k = Temp.FromKelvin(20);

        var total = c + f + k;
        Console.WriteLine("Total temp is {0}F", total.Fahrenheit);
    }

Answer 2

实现此目的的一种方法是使用基本对象（在您的情况下为 Temperature）与专用于该基本对象的 TemperatureTraits 类的组合。与 C++ 类比，String 等价类 basic_string 实际上是一个类模板（C# 术语中的泛型），它不仅具有字符串元素（char、wide char），同时也是一个特征类，详细说明该类对于给定类型的字符串元素（例如 char_traits）的行为方式。

在您的情况下，您可以定义一个类似

public class MeasurableWithUnits 的泛型

，然后实现不仅取决于可测量类，还取决于单位类。这在实践中有多有用取决于这样的对象有多少可以真正通用——在可测量和单位的组合中哪些操作是常见的？

有一篇关于 C# 特征的研究论文 这里，如果这种方法看起来很有趣。

Answer 3

我认为当您想向温度添加更多特定功能时（例如：IsFreezing()），它可能会很好。

要解决开尔文和摄氏度的问题：创建一个接口 ITemperature 和一个基类。在基类中，您可以实现接口并填写所有类都相同的详细信息。

Answer 4

如果您使用结构，则它不能为 null

struct Temperature 
{ 
    double _Value; 
} 

Answer 5

我认为不值得在 C# 中为单元添加静态类型。您将需要重载如此多的运算符（对于所有单位组合，而不仅仅是所有单位）。并且像 Math.Sqrt 这样的函数可以在普通双精度上工作，...

您可能会尝试使用动态类型：

class PhysicalUnit
{
}

struct PhysicalValue
{
    readonly Value;
    readonly PhysicalUnit;
}

然后在调试模式下编译时添加检查单元是否适合在一起。在发布中，只需删除 PhysicalUnit 字段和所有检查，您（几乎）与使用普通双精度的代码一样快。

Answer 6

我将使 Temperature 成为一个抽象类，将温度（以开尔文为单位！）存储在 InternalTemperature 属性中。

派生类 Celcius 会将输入值内部转换为开尔文。它有一个（只读）Value 属性，可以将内部值转换回来。

然后比较它们（一个比另一个温暖）就会很容易。