【C#夯實】我與介面二三事：IEnumerable、IQueryable 與 LINQ

来源:https://www.cnblogs.com/carmen-019/archive/2019/05/10/10842673.html
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序 學生時期，有過小組作業，當時分工一人做那麼兩三個頁面，然而在前端差不多的時候，我和另一個同學發生了爭執。當時用的是簡單的三層架構（DLL、BLL、UI），我個人覺得各寫各的吧，到時候合併，而他覺得應該把底層先寫好，他好直接調用中間層的方法。 到出來工作之後，接觸介面，想整理一下這個：介面到底是個 ...


序

　　學生時期，有過小組作業，當時分工一人做那麼兩三個頁面，然而在前端差不多的時候，我和另一個同學發生了爭執。當時用的是簡單的三層架構（DLL、BLL、UI），我個人覺得各寫各的吧，到時候合併，而他覺得應該把底層先寫好，他好直接調用中間層的方法。

　　到出來工作之後，接觸介面，想整理一下這個：介面到底是個什麼概念呢？

　　需要說明一點的是，我這裡說的介面，不是API那個介面，而是“暫時沒實現”那個介面。

　　剛接觸介面類型的時候，還不太熟練，看到返回介面類型的方法，總在奇怪，這個返回的對象怎麼知道它取哪個實現？可以看一個簡單的例子：

報錯  

（無法創建抽象類或介面的實例）  

    var test = new ITestInterface();

正確   

    ITestInterface infa = new TestInterface();

    infa.Func1();

　　也即，返回的類型總是具類，是確定的，方法已經實現的。

ITestInterface infa = new TestInterface();

 　　其中的 ITestInterface 更像一個模具，對應這個模具造型的內容，由TestInerface提供。

　　那麼，介面到底如何使用？

　　介面的使用，要這樣看：“具備某種特征（功能）”。

　　例如看 ITestInterface infa = new TestInterface(); 其中，TestInterface具備有ITestInterface的特征，而ITestInterface作為有某種特征（功能）的標記，它對具體如何達到這種特征（功能）是不感興趣的，有標記就有特征。這種標記的體現，在C#裡面就是繼承。

　　說到這裡，老朋友IEnumerable是一定要介紹的。

 

一、迭代器 IEnumerable

　　集合這種數據結構是很常見的，通常的操作是對集合的內容做篩選，或排序。IEnumerable介面描述的是返回可迴圈訪問集合的枚舉數，繼承這個介面，需要實現 public IEnumerator GetEnumerator() {} 方法。

　　那麼，IEnumerator是個什麼er？繼承這個介面之後，IDE提示需要實現的方法——

    public class Iterator : IEnumerator
    {
        public object Current => throw new NotImplementedException();
        public bool MoveNext()  { … }
        public void Reset()  { … }
    }

 　　有一個當前對象，一個是否能指向下一個的判斷，還有一個重置。那麼，可以想象迭代器應該是這樣用的：

    Iterator iterator = new Iterator();
    while (iterator.MoveNext())
    {
        // Get iterator.Current to do something..
        Console.WriteLine(iterator.Current.ToString());
    }

　　但這看起來，並不太聰明，或者這樣使用比較“合理”：

 

　　是不是get到了某種真相？foreach裡面接受的是IEnumerable對象，並且會在此處調用到GetEnumerator去得到Enumerator。那麼到底public IEnumerator GetEnumerator(){}要怎麼實現呢，C# 2已經提供了yield語句簡化迭代器。

    public class IterationSample : IEnumerable
    {
        public IEnumerator GetEnumerator()
        {
            for (int index = 0; index < values.Length; index++)
            {
                yield return values[(index + startingPoint) % values.Length];
            }
        }

        public object[] values;
        public int startingPoint;

        public IterationSample(object[] values, int startingPoint)
        {
            this.values = values;
            this.startingPoint = startingPoint;
        }
    }

 　　再來使用Enumerator：

    object[] objs = new object[]{"a", "b", "c", "d"};
    IterationSample sam = new IterationSample(objs, 0);
    foreach (var str in sam)
    {
        // do something..
    }

　　可以想象，yield是個怎麼樣的存在，“一次一次返回”這是我對yield的第一印象描述。但總覺得還是有些說不清楚，這種時候還是得看看書：

　　“yield return 語句指表示 ’暫時地’ 退出方法——事實上，可以把它當做暫停”，

　　既然有這種說法，那還得給出個demo[1]，關於怎麼個“暫停”。

　　（這裡悄咪咪用C# 6的新語法using static System.Console; 實在懶得打 Console.WriteLine();）

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            IEnumerable<int> iterable = CreateEnumerable();
            IEnumerator<int> iterator = iterable.GetEnumerator();
            WriteLine("Starting to iterate");
            while (true)
            {
                WriteLine("Calling MoveNext()..");
                bool result = iterator.MoveNext();
                WriteLine($"MoveNext result = {result}");
                if (!result) break;
                WriteLine("Fetching Current..");
                WriteLine($"..Current result = {iterator.Current.ToString()}");
            }
            ReadLine();
        }

        static readonly string Padding = new string(' ', 30);
 
        static IEnumerable<int> CreateEnumerable()
        {
            WriteLine("Start of CreateEnumerable()");
            for (int i = 0; i < 2; i++)
            {
                WriteLine($"{Padding} About to yield {i}");
                yield return i;
                WriteLine($"{Padding} After yield");
            }
            WriteLine($"{Padding} Yielding final value");
            yield return -1;

            WriteLine($"{Padding} End of CreateEnumerable");
        }
    }

 

　　此處可以留意“After yield”是什麼時候出現的，就會發現[1]：

　　　l   在第一次調用MoveNext之前，CreateEnumerable中的代碼不會被調用；

　　　l   當調用MoveNext時，Current也同時變化；

　　　l   在yield return的位置，代碼就停止執行，在下一次調用MoveNext時又繼續執行（再return一次）

　　yield的故事還沒有完，此處就簡短介紹。

 

　　yield return提供了逐個返回的條件，對於僅是取集合當中符合篩選條件的一項，用yield是方便的，逐個返回的情況下，不會占用過多的存儲空間。但如果涉及到排序（或者比大小、最值）的問題，那必然要求集合當中的所有數據處於可用狀態，這裡也出現了一些傳值的概念。

　　yield return屬於延遲執行（Deferred Execution），延遲執行再區分為惰性求值（Lazy Evaluation）和熱情求值（Eager Evaluation）。 

Deferred but eager execution

Deferred and lazy execution

    IEnumerable<int> GetComputation(int maxIndex)

    {

        var result = new int[maxIndex];

        for(int i = 0; i < maxIndex; i++)

        {

            result[i] = Computation(i);

        }

        foreach(var value in result)

        {

            yield return value;

        }

    }

    IEnumerable<int> GetComputation(int maxIndex)

    {

        for(int i = 0; i < maxIndex; i++)

        {

            yield return Computation(i);

        }

    }

　　詳見：https://stackoverflow.com/questions/2515796/deferred-execution-and-eager-evaluation

 

　　下麵這個例子，是惰性求值，迭代器返回的值受lambda表達式控制，並且是在每一次訪問到這一個“點”的時候，再去返回 “點”的處理結果。熱情求值是直接返回“點”，沒有再過處理。兩相比較，還得看具體的編程情況以作選擇，此處不贅述。

    static void Main(string[] args)
    {
        var sequence = Generate(10, () => DateTime.Now);
        foreach (var value in sequence)
            WriteLine($"{value:T}");
    }

    static IEnumerable<TResult> Generate<TResult>(int number, Func<TResult> generator)
    {
        for (var i = 0; i < number; i++)
        {
            Sleep(400);
            yield return generator();
        }
    }

 　　（為了邏輯上的全面性，）與延遲執行相對的是立即執行（Immediately Execution），是一次返回就完成函數的操作。

 

二、迭代器 IQueryable

　　LINQ to Object 是針對本地數據存儲（local data store）來執行查詢的，系統會根據lambda表達式裡面的邏輯創建匿名的委托，並執行代碼；

　　LINQ to SQL 針對的是在資料庫執行的，會把查詢條件解析成T-SQL，並且把SQL語句發送給資料庫引擎。

 

　　關於，自動生成SQL語句這一點，可以做個嘗試，例如：創建了一個EF，調試監控連接資料庫後返回的變數類型。

    var dbcontext = new CM_FORTESTEntities();
    var tb1 = dbcontext.tblEmployees;
    var tb2 = dbcontext.tblEmployees.Where(a => a.Id == 1);
    var tb3 = dbcontext.tblEmployees.Where(a => a.Gender == "Male").OrderByDescending(a => a.Id);

 

 

 

　　咋一看，怎麼還能是不同類型？但是再看類成員，會發現一些端倪：

public abstract class DbSet : DbQuery, IInternalSetAdapter
public abstract class DbQuery : IOrderedQueryable, IQueryable, IEnumerable, IListSource, IInternalQueryAdapter

public interface IOrderedQueryable : IQueryable, IEnumerable

 

　　好了，終於引入到這個朋友——IQueryable，IQueryable有些什麼必要實現的方法呢？

    public class QueryableSample : IQueryable
    {
        public Expression Expression => throw new NotImplementedException();
        public Type ElementType => throw new NotImplementedException();
        public IQueryProvider Provider => throw new NotImplementedException();
        public IEnumerator GetEnumerator()
        {  throw new NotImplementedException(); }
    }

 

　　IQueryable是IEnumerable的孩子（IQueryable : IEnumerable），它是一個有自己花樣的迭代器。這個花樣如何體現呢？關鍵還在於Expression、IQueryProvider上。

　　從字面上來看，Expression是查詢條件的表達式樹；那麼Provider就是提供數據的成員了。

    public class QueryableSample : IQueryable
    {
        public Expression Expression { get; }
        public Type ElementType => typeof(ModelItem);
        public IQueryProvider Provider { get; }

        public IEnumerator GetEnumerator()
        {
            return Provider.Execute<IEnumerable>(Expression).GetEnumerator();
        }

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

        public QueryableSample(IQueryProvider provider, Expression expression)
        {
            if (provider == null)
                throw new ArgumentNullException("provider");
            if (expression == null)
                throw new ArgumentNullException("expression");

            Provider = provider;
            Expression = expression;
        }
    }
View Code

　　預感中，Provider會是個重要角色：

public class QueryProvider : IQueryProvider

IQueryable CreateQuery(Expression expression)

return new QueryableSample(this, expression);

IQueryable<TElement> CreateQuery<TElement>(Expression expression)

return (IQueryable<TElement>) new QueryableSample(this, expression);

object Execute(Expression expression)

return QueryResult.Execute(expression, false);

TResult Execute<TResult>(Expression expression)

bool IsEnumerable = (typeof(TResult).Name == "IEnumerable`1");

return (TResult)QueryResult.Execute(expression, IsEnumerable);

 

    public class QueryProvider : IQueryProvider
    {
        public IQueryable CreateQuery(Expression expression)
        {
            return new QueryableSample(this, expression);
        }
        public IQueryable<TElement> CreateQuery<TElement>(Expression expression)
        {
            return (IQueryable<TElement>) new QueryableSample(this, expression);
        }
        public object Execute(Expression expression)
        {
            return QueryResult.Execute(expression, false);
        }
        public TResult Execute<TResult>(Expression expression)
        {
            bool IsEnumerable = (typeof(TResult).Name == "IEnumerable`1");
            return (TResult)QueryResult.Execute(expression, IsEnumerable);
        }
    }
    public sealed class QueryResult
    {
        public static object Execute(Expression expression, bool isEnumerable)
        { // 利用expression得到數據結果，設其為records
            QueryableSample records = null;
            if (isEnumerable)
                return records.Provider.CreateQuery(expression);
            else
                return records.Provider.Execute(expression);
        }
    }
View Code

 

　　在github上找到了個詳盡些的QueryableDemo可以看： https://github.com/andreychizhov/NestQueryableProvider

 

三、IEnumerable 與 IQueryable

 　　下麵以一個例子比較二者最大的區別[2]：

            var q = from c in dbContext.Customers

                       where c.City == "London"

                       select c;

            var finalAnswer = from c in q

                                      orderby c.Name

                                      select c;

 

使用IQueryable<T>所內置的LINQ to SQL機制。

（LINQ to SQL程式庫會把相關的查詢操作合起來執行，僅向資料庫發出一次調用，即where和orderby都是在同一次SQL查詢中完成。）

            var q = (from c in dbContext.Customers

                        where c.City == "London"

                        select c).AsEnumerable();

            var finalAnswer = from c in q

                                      orderby c.Name

                                      select c;

 

把資料庫對象強制轉換成IEnumerable形式的序列，並把排序等工作放在本地完成。

（即會把where字句後得到的結果轉換成IEnumerable<T>的序列，再採用LINQ to Objects機制完成後續，排序是通過委托在本地執行。）

　　註意：

　　兩種不同的數據處理方式，依循著兩套完全不同的流程。無論是用lambda表達式來撰寫查詢邏輯還是以函數參數的形式來表示這些邏輯，針對IEnumerable<T>所設計的那些擴展方法都將其視為委托。反之，針對IQueryable<T>的那些擴展方法用的則是表達式樹。【表達式樹 可以把各種邏輯合併起來成一條SQL語句。】

 

public static IEnumerable<TSource> Where<TSource>(this IEnumerable<TSource> source, Func<TSource, bool> predicate)
public static IQueryable<TSource> Where<TSource>(this IQueryable<TSource> source, Expression<Func<TSource, bool>> predicate)

 

　　如果使用IEnumerable<T>，則必須在本地進行。系統把lambda表達式編譯到方法里，在本地電腦上運行，這意味著無論有待處理的數據在不在本地，都必須先獲取過來才行。

　　同時，用來支持IQueryable的那些Provider未必能夠完全解析每一種查詢，通常這些Provider只能解讀幾種固定的（.NET Framework已經實現）的運算符（方法），如果要在查詢操作裡面調用除此之外的其它方法，那可能就得把序列當成IEnumerable來查詢。

 

吐槽    ：emmmmmm，，，本來是想寫我與介面二三事，結果竟然如此跑偏，太多細節能扣啦，知識點冥冥間也有關聯，慢慢捋吧~

立Flag：本月開啟機器學習，今年要把C#基礎篇搞定。

 

註釋：

[1] 自《深入理解C#》（第3版）Jon Skeet 著  姚琪琳 譯

[2] 自《Effective C#》（第3版） 比爾·瓦格納 著

 


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