.NET面试题系列[12] - C# 3.0 LINQ的准备工作

"为了使LINQ能够正常工作，代码必须简化到它要求的程度。" - Jon Skeet

为了提高园子中诸位兄弟的英语水平，我将重要的术语后面配备了对应的英文。

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隐式类型的局部变量

隐式类型允许你用var修饰类型。用var修饰只是编译器方便我们进行编码，类型本身仍然是强类型的，所以当编译器无法推断出类型时（例如你初始化一个变量却没有为其赋值，或赋予null，此时就无法推断它的类型），用var修饰就会发生错误。另外，只能对局部变量使用隐式类型。

使用隐式类型的几个时机：

1. 当变量的类型太长或者难以推测，但类型本身不重要时，比如你的LINQ语句中用了Groupby，那么一般来说基本很少人可以准确地推测出结果的类型吧。。。
2. 当变量初始化时，此时可以根据new后面的类型得知变量类型，故不会对可读性造成影响
3. 在Foreach循环中你迭代的对象，此时一般不需要显式指出类型

总的来说，如果使用隐式类型导致你的代码的可读性下降了，那么就改用显式类型。一般第二条原则已经是一个不成文的规定了。Resharper在检测到变量初始化时，如果你没有使用隐式类型，也会提醒你可以用var代替之。

LINQ中隐式类型的体现：你可以统统用var来修饰LINQ语句返回的类型。一般来说LINQ语句的返回类型通常名字都比较长，而且也不是十分显而易见。如果没有隐式类型，在写代码时就会比较痛苦。

自动实现的属性

现在应该满世界都在用自动实现的属性了。注意在结构体中使用自动实现的属性（注意字段不需要），需要显式的调用无参构造函数this()。这是结构体和类的一个区别。

public struct Foo
    {
        public int a { get; private set; }

        Foo(int A) : this()
        {
            a = A;
        }
    }

上面代码如果去掉this()将会发生错误，在默认无参构造函数将结构体的属性设为默认值之前，不能使用这些属性。如果将上面代码的属性改为字段，则即使不调用this()也不会有问题。

 

匿名类型(Anonymous Type) 

匿名类型允许你直接在括号中建立一个类型。虽然不需要指定成员的具体类型，但匿名类型的成员都是强类型的。

        static void Main(string[] args)
        {
            var tom = new {Name = "Tom", Age = 15};
            Console.WriteLine("{0}: {1}", tom.Name, tom.Age);
        }

对匿名类型进行初始化之后，就可以如同实际类型一样使用点符号获取匿名类型的成员，但变量tom只能用var或者object修饰。如果两个匿名类型有相同数量的成员，且所有成员拥有相同的类型名称和值的类型，而且以相同的顺序出现，则编译器会将它们看作是同一个类型。

        static void Main(string[] args)
        {
            var family = new[]
            {
                new {Name = "Tom", Age = 15},
                new {Name = "Jerry", Age = 16}
            };
            var cat = new {Age = 27, Name = "Cat"};
            var dog = new {Age = 2222222222222222, Name = "Dog"};

        }

如果在初始化中交换了属性的顺序，或者某个属性使用了long而不是int，则会引入一个新的匿名类型。

匿名类型包含了一个默认的构造函数，它获取你赋予的所有初始值。另外，它包含了你定义的类型成员，以及继承自object类型的若干方法（重写的Equals, 重写的GetHashCode, ToString等等）。同一个匿名类型的两个实例在判断相等性时，采用的是依次比较每个成员的值的方式。

在LINQ中，我们可以使用匿名类型来装载查询返回的数据，尤其是最后使用Select或SelectMany等方法返回若干列时。在每次查询都要为返回数据定制一个类显得太繁琐了，虽然有时候是需要的（ViewModel），但也有时候只是为了一次性的展示数据。如果你要创建的类型只在一个方法中使用，而且其中只有简单的字段或者属性而没有方法，则可以考虑使用匿名类型。

表达式和表达式树（Expression & Expression Tree）

Express是表达的意思（它还有很多其他意思，例如快速的），加上名词后缀-sion即为表达式。

表达式是当今编程语言中最重要的组成成分。简单的说，表达式就是变量、数值、运算符、函数组合起来，表示一定意义的式子。例如下面这些都是（C#的）表达式：

• 3                             //常数表达式
• a                             //变量或参数表达式
• !a                            //一元逻辑非表达式
• a + b                       //二元加法表达式
• Math.Sin(a)              //方法调用(lambda)表达式
• new StringBuilder()   //new 表达式

表达式的一个重要的特点是它可以无限组合，只要符合正确的类型和语义。表达式树则是将表达式转换为树形结构，其中每个节点都是表达式。表达式树通常被用于转换为其他形式的代码。例如LINQ to SQL将表达式树转译为SQL。

最基本的几种表达式

• 常量表达式：Expression.Constant(常量的值);
• 变量表达式：Expression.Parameter(typeof(变量类型), "变量名称")
• 二元表达式，即需要两个表达式作为参数进行操作的表达式：Expression.[某个二元表达式的方法，例如加减乘除，模运算等](表达式1, 表达式2);
• Lambda表达式：表达一个方法，可以接受一个代码段或一个方法调用表达式作为方法，以及一组方法参数。Lambda为一希腊字母，无法翻译。希腊字母还有很多，例如阿尔法，贝塔等。之所以选择这个字母是因为来自数学上的原因（数学上有lambda运算）

构建一个最简单的表达式树1+2+3

表达式树是对象构成的树，其中每个节点都是表达式。可以说，每个表达式都是一个表达式树，特别的，某些表达式可以看成只有一个节点的表达式树，例如常量表达式。System.Linq.Expressions命名空间下的Expression类和它的诸多子类就是这一数据结构的实现。Expression类是一个抽象类，主要包含一些静态工厂方法。Expression类也包含两个属性：

• Type：代表表达式求值之后的.net类型，例如Expression.Constant(1)和Expression.Add(Expression.Constant(1), Expression.Constant(2))的类型都是Int32。

• NodeType：代表表达式的种类。例如Expression.Constant(1)的种类是Constant，Expression.Add(Expression.Constant(1), Expression.Constant(2))的种类是Add。

每个表达式都可以表示成Expression某个子类的实例。例如BinaryExpression就表示各种二元运算符（例如加减乘除）的表达式。它需要两个运算数（注意运算数也是表达式）：

    public static BinaryExpression Add(Expression left, Expression right);

Expression各个子类的构造函数都是不公开的，要创建表达式树只能使用Expression类提供的静态方法。

要创建一个表达式树，首先我们要画出这个树，并找出它需要什么类型的表达式。例如如果我们要创建1 + 2 + 3这个表达式的表达式树，因为它太简单而且不包含多于一种运算（如果有加有乘还要考虑优先级），我们可以一眼看出，其只需要两种表达式，常量表达式（形容1，2，3）和二元表达式（形容加法），所以可以这样写：

ConstantExpression exp1 = Expression.Constant(1);
ConstantExpression exp2 = Expression.Constant(2);
BinaryExpression exp12 = Expression.Add(exp1, exp2);
ConstantExpression exp3 = Expression.Constant(3);
BinaryExpression exp123 = Expression.Add(exp12, exp3);

这个应该非常好理解。但如果我们想写出Math.Sin(a)这个表达式的表达式树怎么办呢？为了解决这个问题，Lambda表达式登场了，它可以表示一个方法。

 

使用Lambda表达式表示一个函数

我们的目标是使用Lambda表达式表示Math.Sin(a)这个表达式。Lambda表达式代表一个函数，现在它具有一个输入a（我们使用变量表达式ParameterExpression来代表，它应该是double类型），以及一个方法调用，这需要MethodCallExpression类型的表达式，方法名为Sin，位于Math类中。我们需要使用反射找出这个方法。

代码如下：

ParameterExpression expA = Expression.Parameter(typeof(double), "a"); //参数a
MethodCallExpression expCall = Expression.Call(typeof(Math).GetMethod("Sin", BindingFlags.Static |   BindingFlags.Public), expA); //Math.Sin(a)
LambdaExpression exp = Expression.Lambda(expCall, expA); // a => Math.Sin(a)

 

使用Lambda表达式：通过Expression<TDelegate>

Expression<TDelegate>泛型类继承了LambdaExpression类型，它的构造函数接受一个Lambda表达式。此处TDelegate指泛型委托，它可以是Func或者Action。泛型类以静态的方式确定了返回类型和参数的类型。

对于上个例子，我们的输入和输出均为一个Double类型，故我们需要的委托类型是Func<double, double>：

Expression<Func<double, double>> exp2 = d => Math.Sin(d);

可以使用Compile方法将Expression<TDelegate>编译成TDelegate类型（在这个例子中，编译之后的对象类型为Func<double,double>），这是一个将表达式树编译为委托的简便方法（不需要再一步一步来，并且使用反射了）。编译器自动实现转换。

然后就可以直接调用，获得表达式计算的结果：

Expression<Func<double, double>> exp2 = d => Math.Sin(d);
Func<double, double> func = exp2.Compile();
Console.WriteLine(func(0.5));

练习：使用两种方法构建表达式树(a, b, m, n) => m * a * a +  n * b * b

假定所有的变量类型都是double。

代码法：

//(a, b, m, n) => m * a * a +  n * b * b
ParameterExpression expA = Expression.Parameter(typeof(double), "a"); //参数a
ParameterExpression expB = Expression.Parameter(typeof(double), "b"); //参数b
ParameterExpression expM = Expression.Parameter(typeof(double), "m"); //参数m
ParameterExpression expN = Expression.Parameter(typeof(double), "n"); //参数n

BinaryExpression multiply1 = Expression.Multiply(expM, expA);
BinaryExpression multiply2 = Expression.Multiply(multiply1, expA);
BinaryExpression multiply3 = Expression.Multiply(expN, expB);
BinaryExpression multiply4 = Expression.Multiply(multiply3, expB);
BinaryExpression add = Expression.Add(multiply2, multiply4);

委托法：

Expression<Func<double, double, double, double, double>> exp4 = (a, b, m, n) => m*a*a + n*b*b;

var ret = exp4.Compile();
Console.WriteLine(ret.Invoke(1, 2, 3, 4)); // =3*1*1+4*2*2=3+16=19

通过Expression<TDelegate>以及Compile方法，我们可以方便的计算表达式的结果。但如果一步步来，我们还需要手动遍历这棵树。既然使用代码构造表达式如此麻烦，为什么还要这样做呢？只是因为在手动遍历和计算表达式结果时，可以插入其他操作。LINQ to SQL就是通过递归遍历表达式树，将LINQ语句转换为SQL查询的，这是委托所不能替代的。

不是所有的Lambda表达式都能转化成表达式树。不能将带有一个代码块的Lambda转化成表达式树。表达式中还不能有赋值操作，因为在表达式树中表示不了这种操作。

参考资料：表达式树上手指南 http://www.cnblogs.com/Ninputer/archive/2009/08/28/expression_tree1.html

扩展方法（Extension Method）

扩展方法可以理解成，为现有的类型（现有类型可以为自定义的类型和.Net 类库中的类型）扩展（添加）一些功能，附加到该类型中。

当我们要扩展某个类的功能时，有以下几种方法：一是直接修改类的代码，这可能会导致向后兼容的破坏（不符合开闭原则）。一是派生子类，但这增加了维护的工作量，而且对于结构和密封类根本不能这么做。扩展方法允许我们在不创建子类，不更改类型本身的情况下，仍然可以修改类型。

扩展方法必须定义于静态的类型中，且所有的扩展方法必须是静态的。还是那句话，当你了解了类型对象时，你就很自然的理解了为何扩展方法必须是静态的。（它自类型对象被创建时就应当在对象的方法表中）

扩展方法的第一个输入参数要加上this（第一个参数的类型表示被扩展的类型）。扩展方法必须至少要有一个输入参数。

被扩展的类型的所有子类自动获得该扩展方法。

当你的工程内有特定逻辑，且其基于一个比较普遍的类时，考虑使用扩展方法。如果你想为类型添加一些成员，但又不能更改类型本身（因为不属于你）时，考虑使用扩展方法。例如当你需要频繁判断字符串是否为Email时，你可以扩展String类，将这个判断方法单独置于一个叫做StringExtension的类型中，方便管理。之后你就可以通过调用String.IsEmail来方便的使用这个方法了。

C#中提供了两个特别醒目的类：Enumerable和Queryable。两者都在System.Linq命名空间中。在这两个类中，含有许许多多的扩展方法。Enumerable的大多数扩展的是IEnumerable<T>，Queryable的大多数扩展的是IQueryable<T>。它们赋予了集合强大的查询能力，共同构成了LINQ的重要基础。

什么是闭包（Closure）？C#如何实现一个闭包？

闭包是一种语言特性，它指的是某个函数获取到在其作用域外部的变量，并可以与之互动。Closure这个单词显然来自动词close，有点动词名词化的意思。

通过匿名函数或者lambda表达式，我们可以实现一个简单的闭包：

static void Main(string[] args)
        {
            //外部变量
            var i = 0;
            //lambda表达式捕获外部变量
            //在外部变量的作用域内声明了一个方法
            MethodInvoker m = () =>
            {
                //使用外部变量
                i = i + 1;
            };

            m.Invoke();
            //打印出1
            Console.WriteLine(i);
        }

此处函数和来自外部的变量i进行了互动。

匿名函数（Anonymous Function）

匿名函数出现于C# 2.0，它允许在一个委托实例的创建位置内联地指定其操作。

例如我们可以这样写：

            Compare(c1, c2, delegate(Circle a, Circle b)
            {
                if (a.Radius > b.Radius) return 1;
                if (a.Radius < b.Radius) return -1;
                return 0;
            });

匿名方法的语法：先是一个delegate关键字，再是参数（如果有的话），随后是一个代码块，定义了对委托实例的操作。逆变性不适用于匿名方法，必须指定和委托类型完全匹配的参数类型（在本例中是两个Circle类型）。

通过在匿名方法中加入return来获得返回值。.NET 2中很少有委托有返回值（因为多个委托形成委托链之后，前面的返回值会被后面的覆盖），但LINQ中大部分委托都有返回值（通过Func泛型委托）。

使用匿名方法的主要好处是：不需要为一个函数命名，尤其是那种只用一次的函数，或者很短很简单的函数。当你了解了lambda表达式之后，就会发现在linq中，到处都是lambda表达式，而里面其实都是匿名函数（即委托）。如果我们在频繁使用linq的过程中，每次都要在外部建立一个函数，那代码的体积将会大大增加。

另外匿名函数还有很重要的一点，就是自动形成闭包。匿名函数内定义的变量称为匿名函数的局部变量，和普通函数不同的是，匿名函数除了可以使用局部变量，传入的变量之外，还可以使用捕获变量。当外部的变量被匿名函数在函数方法中使用时，称为该变量被捕获（即它成为了一个捕获变量）。

捕获的是变量的实例而不是值，也就是说，在匿名函数内的捕获变量和外部的变量是同一个。当变量被捕获时，值类型的变量自动“升级”，变成一个密封类。创建委托实例不会导致执行。

捕获变量（Captured Variable）的作用

捕获变量可以方便我们在创建匿名方法（或委托）时，获得所需要的变量。例如如果你有一个整型的列表，并希望写一个匿名方法筛选出小于某数limit的另一个列表，此时如果没有捕获变量，在匿名方法中我们就只能硬编码Limit的值，或者使用原始的委托，将变量传入委托的目标方法。

        static IEnumerable<int> Filter(List<int> aList, int limit)
        {
            //lambda表达式捕获外部变量Limit
            return aList.Where(a => a < limit);
        }

捕获变量的生存期

只要还有委托引用这个捕获变量，它就会一直存在。不管这个捕获变量是值类型还是引用类型，编译器会为其生成一个额外的类。

public delegate void MethodInvoker();
        static void Main(string[] args)
        {
            MethodInvoker m = CreateDelegate();
            //由于有委托引用a，a将会一直存在
            //捕获变量a不再位于栈上，编译器将其视为一个额外的类
            //CreateDelegate方法拥有对这个额外的类的一个实例的引用
            //当委托被回收之前，不会回收这个额外的类
            m();
        }

        static MethodInvoker CreateDelegate()
        {
            int a = 1;
            MethodInvoker m = () =>
            {
                Console.WriteLine(a);
                a++;
            };
            m();
            return m;
        }

打印出1和2。输出1是因为在调用CreateDelegate时，变量a是可用的。当CreateDelegate返回之后，调用m，a仍然是可用的，并没有随之消失。由于被捕获而形成闭包，a由一个栈上的值类型变成了引用类型。编译器生成了一个额外的密封类（名字是比较没有可读性的，例如c__DisplayClass1），它拥有一个成员a和一个方法，该方法内部的代码就是MethodInvoker中的代码。

CreateDelegate持有一个类型c__DisplayClass1的引用，所以它一直都能使用c__DisplayClass1中的成员a。

    internal class Program
    {
        public delegate void MethodInvoker();

        [CompilerGenerated]
        private sealed class <>c__DisplayClass1
        {
            public int a;

            public void <CreateDelegate>b__0()
            {
                Console.WriteLine(this.a);
                this.a++;
            }
        }

        private static void Main(string[] args)
        {
            Program.MethodInvoker methodInvoker = Program.CreateDelegate();
            methodInvoker();
            Console.ReadKey();
        }

        private static Program.MethodInvoker CreateDelegate()
        {
            Program.<>c__DisplayClass1 <>c__DisplayClass = new Program.<>c__DisplayClass1();
            <>c__DisplayClass.a = 1;
            Program.MethodInvoker methodInvoker = new Program.MethodInvoker(<>c__DisplayClass.<CreateDelegate>b__0);
            methodInvoker();
            return methodInvoker;
        }
    }

面试题：共享和非共享的捕获变量

在闭包和for循环一起使用时，如果多个委托捕捉到了同一个变量，则会有两种情况：捕捉到了同一个变量仅有的一个实例，和捕捉到同一个变量，但每个委托拥有自己的一个实例。

        static void Main()
        {
            int copy;
            List<Action> actions = new List<Action>();
            for (int counter = 0; counter < 10; counter++)
            {
                //只有一个变量copy，它在循环开始之前已经创建
                //所有的委托共享这个变量
                copy = counter;
                //创建委托时不会执行
                actions.Add(() => Console.WriteLine(copy));
            }
            foreach (Action action in actions)
            {
                //执行委托时打印copy当前的值
                //copy当前的值是9
                action();
            }
            Console.ReadKey();
        }

在这个例子中，捕获变量是copy，它只有一个实例（它的定义在外面，被捕获之后，自动升级为引用类型），所有委托共享这个实例。最后打印出10个9。

        static void Main()
        {
            int copy;
            List<Action> actions = new List<Action>();
            for (int counter = 0; counter < 10; counter++)
            {               
                copy = counter;
                //现在有十个内部变量，每个委托有一个实例，不同委托拥有的实例值是不同的
                //从而委托可以输出0-9
                int copy1 = copy;
                //创建委托时不会执行
                actions.Add(() => Console.WriteLine(copy1));
            }
            foreach (Action action in actions)
            {
                //执行委托时打印copy1的值
                action();
            }
            Console.ReadKey();
        }

使用内部变量解决多个委托共享一个捕获变量实例的问题。下面的代码中，包含了上面所说的两种情况，可以思考下最终的打印结果：

        static void Main(string[] args)
        {
            var list = new List<MethodInvoker>();
            for (int index = 0; index < 5; index++)
            {
                var counter = index*10;

                list.Add(delegate
                {
                    Console.WriteLine("{0}, {1}", counter, index);
                    counter++;    
                });
            }

            list[0]();
            list[1]();
            list[2]();
            list[3]();
            list[4]();

            list[0]();
            list[0]();
            list[0]();

            Console.ReadKey();
        }

其中循环内部建立了五个MethodInvoker。它们共享一个变量index的实例，但各自有自己的变量counter的实例。所以最终打印的结果中，index的值将总是5，而counter的值则每次都不同。

最后额外执行了第一个委托三次，此时counter的值会使用第一次，第一个委托运行之后counter的值，故会打出1，之后打印2，3同理。如果你额外执行第二个委托一次，将会打出11。这充分说明了每个委托都持有一个counter的实例，且它们是相互独立的。而无论执行任意一个委托多少次，index的值都是5。

foreach循环中捕获变量的变化

在C# 5中，foreach循环的行为变了，不会再出现多个委托共享一个变量的行为。所以我们即使不声明内部变量，方法也会打印出令人容易理解的结果：

 

        static void Main()
        {
            List<string> values = new List<string> {"a", "b", "c"};
            var actions = new List<Action>();
            foreach (string s in values)
            {
                //匿名方法捕获变量s
                //类比for循环最后的10个9，s最后的值是c
                //理论上会打印出三个c
                //但在c# 5中，会打印出a,b,c
                actions.Add(() => Console.WriteLine(s));
            }
            foreach (Action action in actions)
            {
                action();
            }
            Console.ReadKey();
        }

但对于for语句，行为和之前一样，仍然需要注意捕获变量被共享的问题。