C#学习笔记（八）—–LINQ查询之延迟执行

LINQ查询之延迟执行

在LINQ中，另一个很重要的特性就是延迟执行，也可以说是延迟加载。它是指查询操作并不是在查询运算符定义的时候执行，真正使用集合中的数据时才执行，例如遍历数据集合时调用MoveNext方法会触发查询操作，下面是一个简单的示例：

var numbers = new List<int>();
numbers.Add (1);
IEnumerable<int> query = numbers.Select (n => n * 10); // Build query
numbers.Add (2); // Sneak in an extra element
foreach (int n in query)
Console.Write (n + "|"); // 10|20|

在上面的示例中，在创建查询语句后又向集合中添加新的元素，这个新的元素最终也出现在查询结果中，这就是因为欻性能语句实在遇到foreach之后才真正执行的，而foreach在numbers.Add(2)之后，所以输出集合中包含了这个元素。这是所谓的推迟或延迟执行，他与委托实现的效果相同：

Action a = () => Console.WriteLine ("Foo");
// 上面这句实际上并不会在控制台上面输出任何东西，现在，我们再写下面一句：
a(); // 延迟执行的道理在这里！

这种特性就是所谓的延迟加载，绝大部分标准的LINQ查询运算符都具有延迟加载这种特性，当然也有例外，以下是几个例外的运算符：
①那些返回单个元素或者返回一个数值的运算符，如First或者Count。
②转换运算符：ToArray、ToList、ToDictionary、ToLookUp等等ToXXX方法。
以上这些运算符都会触发LINQ语句立即执行，因为他们的返回值类型不支持延迟加载。例如Count运算符，它返回一个简单的整型数据，而一个整型数据不会用到遍历操作，因此Count运算符会被立即执行，如下面这个实例所示：

int matches = numbers.Where (n => n < 2).Count(); // 1

在LINQ中，延迟加载特性具有很重要的意义，这种设计将查询的创建和查询的执行进行了解耦，这使得我们可以将查询分为多个步骤来创建，有利于查询表达式的书写，而且在执行的时候按照一个完整的结构去查询，减少了对集合的查询次数，这种特性在对数据库的查询中尤为重要。需要注意的是，子查询中表达式有额外的延迟加载限制，无论是聚合运算符还是转换运算符，如果出现在子查询中，他们都会被强制的进行延迟加载。后面将会讨论他们。

重复执行

延迟执行导致的后果是，当两次同时遍历一个集合时，查询被重复执行。也就是当多次查询同一个数据集时，它后一次遍历不会使用前一次遍历的结果，而是再次到数据源中进行一次新的查询。如下面这个示例：

var numbers = new List<int>() { 1, 2 };
IEnumerable<int> query = numbers.Select (n => n * 10);
foreach (int n in query) Console.Write (n + "|"); // 10|20|
numbers.Clear();
foreach (int n in query) Console.Write (n + "|"); // 

这种重复查询是LINQ的缺点，他带来以下两个方面的影响：
①无法缓存在某一时刻的状态，以供后面的代码使用。
②对于一些远程数据源，例如远端的数据库，这种重复执行会大大降低执行效率。
这种问题是可以解决的。一般使用转换运算符来绕过这种重复执行，如ToArray或者ToList等ToXXX。ToArray是把结果集中的元素拷贝到一个新的数组中；ToList也一样的功能。这两种方式都可以保存查询结果，下次需要使用结果集时，直接使用这两种结合中保存的数据即可，下面是一段示例：

var numbers = new List() { 1, 2 };
List timesTen = numbers
.Select (n => n * 10)
.ToList(); // 立即执行，将结果存放于List中
numbers.Clear();
Console.WriteLine (timesTen.Count); // 仍然是2，没有被清除

捕获的变量

还是闭包的问题。
延迟加载还会带来另一个问题，如果在Lambda表达式中使用了本地变量，那么Lambda表达式使用的是这个本地变量的引用，而不是他拷贝。这就意味着，如果在其他地方改变了本地变量的值，Lambda表达式中的结果也会发生改变。如下面的示例所示：

int[] numbers = { 1, 2 };
int factor = 10;
IEnumerable<int> query = numbers.Select (n => n * factor);
factor = 20;
foreach (int n in query) Console.Write (n + "|"); // 20|40|

对于上面的话的理解应该是由于延迟执行导致取值发生在foreach循环里面，那么在这之前对factor做的任何改变都会影响到lambda获取的局部变量的值，因为①lambda会自动更新值②lambda总是在真正MoveNext的时候才获取值。
尽管很多人知道这个问题，但是还是会犯错，特别是在foreach循环中更容易出错。如下面的实例，去掉一个字符串中的元音字符。首先是下面这种写法，看起来效率不高，但可以得到正确的结果：

IEnumerable query = "Not what you might expect";
query = query.Where (c => c != 'a');
query = query.Where (c => c != 'e');
query = query.Where (c => c != 'i');
query = query.Where (c => c != 'o');
query = query.Where (c => c != 'u');
foreach (char c in query) Console.Write (c); // Nt wht y mght xpct

如果使用foreach语句来重构这段代码，会使整个查询更简洁高效，现在让我们来看看重构后会发生什么事情，代码如下：

IEnumerable<char> query = "Not what you might expect";
string vowels = "aeiou";
for (int i = 0; i < vowels.Length; i++)
query = query.Where (c => c != vowels[i]);
foreach (char c in query) Console.Write (c);

列举查询时会抛出IndexOutOfRangeException异常。前面我们也讨论过，这是因为编译器将for循环中的迭代变量作用域定义为与循环外部声明的一样了（意即捕获了局部变量形成闭包）。因此，每一个闭包都会捕获到相同的变量（i），查询在执行实际列举步骤时，他的值是5.为了解决这个问题，必须将循环变量赋值给一个临时变量：

for (int i = 0; i < vowels.Length; i++)
{
char vowel = vowels[i];
query = query.Where (c => c != vowel);
}

这就迫使在每一次循环迭代中获得一个新的变量值。
**提示：**C#5.0中可以将它变成foreach循环：

foreach (char vowel in vowels)
query = query.Where (c => c != vowel);

这个方法在C#5.0可以生效，但是在之前的版本同样会失败，原因在前面的内容中讲过。

延迟加载的工作原理

LINQ查询操作符通过返回装饰器序列提供延迟执行。与传统的集合类不同，例如数组或链表（他们都代表了真正的内存。你让一个返回IEnumerable的东西怎么去代表一个真正的内存？），装饰器序列(一般而言)没有自己的支持结构来存储元素，相反，它封装了在运行时提供的另一个序列，它将保持一个永久的依赖项。当您从装饰器请求数据时，它轮流请求来自包装输入序列的数据。
调用Where的时候仅仅是构造了一个装饰器序列，在Where内部所做的操作都非常简单，根据lambda表达式中指定的查询条件，对输入集合重新进行了筛选，保留那些符合条件的元素的指针引用，当外部遍历Where的返回值时，Where会到它所关联的集合中进行真正的查询，然后返回查询结果。

IEnumerable<int> lessThanTen = new int[] { 5, 12, 3 }.Where (n => n < 10);

当执行lessThanThen操作时，实际上，就是使用where运算符对封装序列进行筛选。
当需要使用一些具有特殊功能的运算符时，我们可以自己动手使用C#中的迭代器轻松的实现。例如下面这个实例所示，实现一个自定义的Select运算符：

public static IEnumerable Select
(this IEnumerable source, Func selector)
{
foreach (TSource element in source)
yield return selector (element);
}

这个方法通过使用yield return而变成一个C#的迭代器，以下是一种快捷方式：

public static IEnumerable Select
(this IEnumerable source, Func selector)
{
return new SelectSequence (source, selector);
}

SelectSequence是一个(编译器编写的)类，它的枚举器封装迭代器方法中的逻辑。
因此，当您调用诸如Select或Where之类的操作符时，您所做的只是实例化一个可以装饰输入序列的可枚举类。

连续使用封装集合

如果使用运算符流语法对集合进行查询，会创建多个层次的封装集合。一下面的这个查询为例：

IEnumerable query = new int[] { 5, 12, 3 }.Where (n => n < 10)
.OrderBy (n => n)
.Select (n => n * 10);

下图演示了执行这个语句时对集合进行处理的过程，这是一个完整的对象处理模型，需要注意的是，这个对象模型一定是在查询语句被真正执行之前就创建好的：

在使用LINQ语句的返回集合时，实际是在原始的输入集合中进行查询，只不过在进入原始集合之前，会经过上面这些装饰器的处理，在不同的层次的装饰器中，系统会对查询中相应的修改，这使得LINQ语句使用的各种查询条件会被反映到最终的查询结果中。如果在LINQ查询语句的最后加上ToList方法，会强制LINQ语句立即执行，查询结果会被保存到一个List类型的集合中。
下图使用UML的方式重新演示了装饰器之间的层次结构。从中可以看出，Select子句的装饰器指向orderby的装饰器，后者又指向了where的装饰器，而where最终指向一个实际的真实存在于内存中的数组。LINQ查询的延迟加载有这样的一个功能，不论查询语句是连续书写的（像上面这样select、orderby、where）还是分多个步骤完成的，在执行前，都会被组合成一个完整的对象模型，而写两种书写方式所产生的对象模型是一样的，例如下面这种书写方式并不会导致查询被多次执行：

IEnumerable
source = new int[] { 5, 12, 3 },
filtered = source .Where (n => n < 10),
sorted = filtered .OrderBy (n => n),
query = sorted .Select (n => n * 10);

查询语句的执行方式

下面这几行代码遍历了前面得到的query集合：

foreach (int n in query) Console.WriteLine (n);
30
50

这个foreach遍历了query集合，并输出了集合中的元素。分析代码可知，foreach会调用select装饰器（整个lINQ语句最外部的运算符）中的GetEnumeator方法，由这个方法拉开整个查询的帷幕。结果是一个枚举器的链表，它在结构上反映了装饰序列的链。下图展示了随着枚举的展开，执行的流程。

在本章的第一部分中，我们将查询描述为传送带的生产线。
扩展这个类比，我们可以说LINQ查询是一个懒惰的生产线，传送带只根据需要滚动元素。
构造一个查询就是构造一个生产线，所有的东西都在一个地方，但是没有任何滚动。
然后，当使用者请求一个元素(在查询中枚举)时，最右边的传送带会激活;这反过来会触发其他的，当需要输入序列元素时。
LINQ遵循的是一个需求驱动的拉模型，而不是一个供给驱动的驱动模型。
这是很重要的，因为我们将会看到后期，允许LINQ扩展到查询SQL数据库。