打造自己的LINQ Provider（中）：IQueryable和IQueryProvider

概述

在.NET Framework 3.5中提供了LINQ 支持后，LINQ就以其强大而优雅的编程方式赢得了开发人员的喜爱，而各种LINQ Provider更是满天飞，如LINQ to NHibernate、LINQ to Google等，大有“一切皆LINQ”的趋势。LINQ本身也提供了很好的扩展性，使得我们可以轻松的编写属于自己的LINQ Provider。
本文为打造自己的LINQ Provider系列文章第二篇，主要详细介绍自定义LINQ Provider中两个最重要的接口IQueryable和IQueryProvider。

IEnumerable<T>接口

在上一篇《打造自己的LINQ Provider（上）：Expression Tree揭秘》一文的最后，我说到了这样一句话：需要注意的是LINQ to Objects并不需要任何特定的LINQ Provider，因为它并不翻译为表达式目录树，带着这个问题，我们先来看下面这段代码，查询的结果query为IEnumerable<String>类型：

static void Main(string[] args)
{
    List<String> myList = new List<String>() { "a", "ab", "cd", "bd" };

    IEnumerable<String> query = from s in myList
                where s.StartsWith("a")
                select s;

    foreach (String s in query)
    {
        Console.WriteLine(s);
    }

    Console.Read();
}

这里将返回两条结果，如下图所示：

这里就有一个问题，为什么在LINQ to Objects中返回的是IEnumerable<T>类型的数据而不是IQueryable<T>呢？答案就在本文的开始，在LINQ to Objects中查询表达式或者Lambda表达式并不翻译为表达式目录树，因为LINQ to Objects查询的都是实现了IEnmerable<T>接口的数据，所以查询表达式或者Lambda表达式都可以直接转换为.NET代码来执行，无需再经过转换为表达式目录这一步，这也是LINQ to Objects比较特殊的地方，它不需要特定的LINQ Provider。我们可以看一下IEnumerable<T>接口的实现，它里面并没有Expression和Provider这样的属性，如下图所示：

至于LINQ to Objects中所有的标准查询操作符都是通过扩展方法来实现的，它们在抽象类Enumerable中定义，如其中的Where扩展方法如下代码所示：

public static class Enumerable
{
    public static IEnumerable<TSource> Where<TSource>(
        this IEnumerable<TSource> source, 
        Func<TSource, bool> predicate)
    {
        if (source == null)
        {
            throw Error.ArgumentNull("source");
        }
        if (predicate == null)
        {
            throw Error.ArgumentNull("predicate");
        }
        return WhereIterator<TSource>(source, predicate);
    }

    public static IEnumerable<TSource> Where<TSource>(
        this IEnumerable<TSource> source, 
        Func<TSource, int, bool> predicate)
    {
        if (source == null)
        {
            throw Error.ArgumentNull("source");
        }
        if (predicate == null)
        {
            throw Error.ArgumentNull("predicate");
        }
        return WhereIterator<TSource>(source, predicate);
    }
}

注意到这里方法的参数Func<TSource>系列委托，而非Expression<Func<TSource>>，在本文的后面，你将看到，IQueryable接口的数据，这些扩展方法的参数都是Expression<Func<TSource>>，关于它们的区别在上一篇文章我已经说过了。同样还有一点需要说明的是，在IEnumerable<T>中提供了一组扩展方法AsQueryable()，可以用来把一个IEnumerable<T>类型的数据转换为IQueryable<T>类型，如下代码所示：

static void Main(string[] args)
{
    var myList = new List<String>() 
                { "a", "ab", "cd", "bd" }.AsQueryable<String>();

    IQueryable<String> query = from s in myList
                where s.StartsWith("a")
                select s;

    foreach (String s in query)
    {
        Console.WriteLine(s);
    }

    Console.Read();
} 

运行这段代码，虽然它的输出结果与上面的示例完全相同，但它们查询的机制却完全不同：

IQueryable<T>接口

在.NET中，IQueryable<T>继承于IEnumerable<T>和IQueryable接口，如下图所示：

这里有两个很重要的属性Expression和Provider，分别表示获取与IQueryable 的实例关联的表达式目录树和获取与此数据源关联的查询提供程序，我们所有定义在查询表达式中方法调用或者Lambda表达式都将由该Expression属性表示，而最终会由Provider表示的提供程序翻译为它所对应的数据源的查询语言，这个数据源可能是数据库，XML文件或者是WebService等。该接口非常重要，在我们自定义LINQ Provider中必须要实现这个接口。同样对于IQueryable的标准查询操作都是由Queryable中的扩展方法来实现的，如下代码所示：

public static class Queryable
{
    public static IQueryable<TSource> Where<TSource>(this IQueryable<TSource> source, 
            Expression<Func<TSource, bool>> predicate)
    {
        if (source == null)
        {
            throw Error.ArgumentNull("source");
        }
        if (predicate == null)
        {
            throw Error.ArgumentNull("predicate");
        }
        return source.Provider.CreateQuery<TSource>(
            Expression.Call(null, ((MethodInfo) MethodBase.GetCurrentMethod())
            .MakeGenericMethod(new Type[] { typeof(TSource) }), 
            new Expression[] { source.Expression, Expression.Quote(predicate) }));
    }

    public static IQueryable<TSource> Where<TSource>(this IQueryable<TSource> source,
        Expression<Func<TSource, int, bool>> predicate)
    {
        if (source == null)
        {
            throw Error.ArgumentNull("source");
        }
        if (predicate == null)
        {
            throw Error.ArgumentNull("predicate");
        }
        return source.Provider.CreateQuery<TSource>(
            Expression.Call(null, ((MethodInfo) MethodBase.GetCurrentMethod())
            .MakeGenericMethod(new Type[] { typeof(TSource) }), 
            new Expression[] { source.Expression, Expression.Quote(predicate) }));
    }
}

最后还有一点，如果我们定义的查询需要支持Orderby等操作，还必须实现IOrderedQueryable<T> 接口，它继承自IQueryable<T>，如下图所示：

 

IQueryProvider接口

在认识了IQueryable接口之后，我们再来看看在自定义LINQ Provider中另一个非常重要的接口IQueryProvider。它的定义如下图所示：

看到这里两组方法的参数，其实大家已经可以知道，Provider负责执行表达式目录树并返回结果。如果是LINQ to SQL的Provider，则它会负责把表达式目录树翻译为T-SQL语句并并传递给数据库服务器，并返回最后的执行的结果；如果是一个Web Service的Provider，则它会负责翻译表达式目录树并调用Web Service，最终返回结果。

这里四个方法其实就两个操作CreateQuery和Execute（分别有泛型和非泛型），CreateQuery方法用于构造一个 IQueryable<T> 对象，该对象可计算指定表达式目录树所表示的查询，返回的结果是一个可枚举的类型，；而Execute执行指定表达式目录树所表示的查询，返回的结果是一个单一值。自定义一个最简单的LINQ Provider，至少需要实现IQueryable<T>和IQueryProvider两个接口，在下篇文章中，你将看到一个综合的实例。

扩展LINQ的两种方式

通过前面的讲解，我们可以想到，对于LINQ的扩展有两种方式，一是借助于LINQ to Objects，如果我们所做的查询直接在.NET代码中执行，就可以实现IEnumerable<T>接口，而无须再去实现IQueryable并编写自定义的LINQ Provider，如.NET中内置的List<T>等。如我们可以编写一段简单自定义代码：

public class MyData<T> : IEnumerable<T>
                where T : class
{
    public IEnumerator<T> GetEnumerator()
    {
        return null;
    }

    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
    {
        return null;
    }

    // 其它成员
}

第二种扩展LINQ的方式当然就是自定义LINQ Provider了，我们需要实现IQueryable<T>和IQueryProvider两个接口，下面先给出一段简单的示意代码，在下一篇中我们将完整的来实现一个LINQ Provider。如下代码所示：

public class QueryableData<TData> : IQueryable<TData>
{
    public QueryableData()
    {
        Provider = new TerryQueryProvider();
        Expression = Expression.Constant(this);
    }

    public QueryableData(TerryQueryProvider provider, 
        Expression expression)
    {
        if (provider == null)
        {
            throw new ArgumentNullException("provider");
        }

        if (expression == null)
        {
            throw new ArgumentNullException("expression");
        }

        if (!typeof(IQueryable<TData>).IsAssignableFrom(expression.Type))
        {
            throw new ArgumentOutOfRangeException("expression");
        }

        Provider = provider;
        Expression = expression;
    }

    public IQueryProvider Provider { get; private set; }
    public Expression Expression { get; private set; }

    public Type ElementType
    {
        get { return typeof(TData); }
    }

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

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

public class TerryQueryProvider : IQueryProvider
{
    public IQueryable CreateQuery(Expression expression)
    {
        Type elementType = TypeSystem.GetElementType(expression.Type);
        try
        {
            return (IQueryable)Activator.CreateInstance(
                typeof(QueryableData<>).MakeGenericType(elementType),
                new object[] { this, expression });
        }
        catch
        {
            throw new Exception();
        }
    }

    public IQueryable<TResult> CreateQuery<TResult>(Expression expression)
    {
        return new QueryableData<TResult>(this, expression);
    }

    public object Execute(Expression expression)
    {
        // ......
    }

    public TResult Execute<TResult>(Expression expression)
    {
        // ......
    }
}

上面这两个接口都没有完成，这里只是示意性的代码，如果实现了这两个接口，我们就可以像下面这样使用了（当然这样的使用是没有意义的，这里只是为了演示）：

static void Main(string[] args)
{
    QueryableData<String> mydata = new QueryableData<String> { 
        "TerryLee",
        "Cnblogs",
        "Dingxue"
    };

    var result = from d in mydata
                 select d;
    foreach (String item in result)
    {
        Console.WriteLine(item);
    }
}

现在再来分析一下这个执行过程，首先是实例化QueryableData<String>，同时也会实例化TerryQueryProvider；当执行查询表达式的时候，会调用TerryQueryProvider中的CreateQuery方法，来构造表达式目录树，此时查询并不会被真正执行（即延迟加载），只有当我们调用GetEnumerator方法，上例中的foreach，此时会调用TerryQueryProvider中的Execute方法，此时查询才会被真正执行，如下图所示：

 

总结

本文介绍了在自定义LINQ Provider中两个最重要的接口IQueryable和IQueryProvider，希望对大家有所帮助，下一篇我我们将开发一个完整的自定义LINQ Provider。

相关文章：打造自己的LINQ Provider（上）：Expression Tree揭秘