C#LINQ技术内幕与查询表达式优化
2022-07-252.8k 阅读
C# LINQ技术内幕与查询表达式优化
LINQ基础概念
LINQ，即Language Integrated Query（语言集成查询），是一组用于C#和Visual Basic语言的扩展。它允许开发者以一种类似SQL的语法对各种数据源进行查询操作，将查询功能直接集成到编程语言中。LINQ支持多种数据源，包括数组、集合、XML文档以及数据库等。
LINQ的优势
- 统一的查询语法：无论数据源是内存中的集合还是数据库，都可以使用相同的查询语法。例如，对一个整数数组进行查询：
int[] numbers = { 1, 2, 3, 4, 5 };
var result = from num in numbers
where num > 3
select num;
上述代码使用LINQ查询表达式从数组numbers中筛选出大于3的元素。同样的语法结构，当数据源变为数据库表时，也能保持相似的形式。
- 强类型检查：在编译时进行类型检查，减少运行时错误。例如，如果查询表达式中引用了不存在的属性，编译器会报错。
class Person
{
public string Name { get; set; }
public int Age { get; set; }
}
var people = new List<Person>()
{
new Person { Name = "Alice", Age = 25 },
new Person { Name = "Bob", Age = 30 }
};
// 错误示例，如果写成where p.Ages > 25，编译器会提示Ages属性不存在
var adults = from p in people
where p.Age > 25
select p;
- 延迟执行：LINQ查询通常是延迟执行的，这意味着只有当实际需要结果时才会执行查询。例如：
var numbers = Enumerable.Range(1, 10);
var query = from num in numbers
where num % 2 == 0
select num;
// 此时查询并未执行
foreach (var result in query)
{
// 当遍历query时，查询才会执行
Console.WriteLine(result);
}
LINQ查询表达式语法
基本结构
LINQ查询表达式以from子句开始，定义数据源和范围变量。接着可以有零个或多个where、orderby、join等子句，最后以select或group子句结束。
// 从字符串数组中筛选出长度大于3的字符串，并按长度排序
string[] words = { "apple", "banana", "cat", "dog", "elephant" };
var result = from word in words
where word.Length > 3
orderby word.Length
select word;
在这个例子中，from word in words指定了数据源为words数组，并定义了范围变量word。where word.Length > 3筛选出长度大于3的字符串。orderby word.Length按字符串长度排序，最后select word选择符合条件的字符串。
where子句
where子句用于筛选数据，它包含一个布尔表达式。例如，从学生列表中筛选出成绩大于80分的学生：
class Student
{
public string Name { get; set; }
public int Score { get; set; }
}
var students = new List<Student>()
{
new Student { Name = "Tom", Score = 85 },
new Student { Name = "Jerry", Score = 78 },
new Student { Name = "Lucy", Score = 90 }
};
var highScorers = from s in students
where s.Score > 80
select s;
orderby子句
orderby子句用于对查询结果进行排序，可以是升序（默认）或降序。例如，对员工列表按工资降序排序：
class Employee
{
public string Name { get; set; }
public decimal Salary { get; set; }
}
var employees = new List<Employee>()
{
new Employee { Name = "Alice", Salary = 5000m },
new Employee { Name = "Bob", Salary = 6000m },
new Employee { Name = "Charlie", Salary = 4500m }
};
var sortedEmployees = from e in employees
orderby e.Salary descending
select e;
join子句
join子句用于将两个或多个数据源中的相关数据进行合并。例如，有学生列表和课程成绩列表，通过学生ID将它们关联起来：
class Student
{
public int StudentId { get; set; }
public string Name { get; set; }
}
class CourseGrade
{
public int StudentId { get; set; }
public string Course { get; set; }
public int Grade { get; set; }
}
var students = new List<Student>()
{
new Student { StudentId = 1, Name = "Tom" },
new Student { StudentId = 2, Name = "Jerry" }
};
var courseGrades = new List<CourseGrade>()
{
new CourseGrade { StudentId = 1, Course = "Math", Grade = 85 },
new CourseGrade { StudentId = 2, Course = "English", Grade = 90 }
};
var studentGrades = from s in students
join cg in courseGrades on s.StudentId equals cg.StudentId
select new { s.Name, cg.Course, cg.Grade };
select子句
select子句用于指定查询结果的形式，可以是原始数据类型、匿名类型或自定义类型。例如，从产品列表中选择产品名称和价格，并创建匿名类型：
class Product
{
public string Name { get; set; }
public decimal Price { get; set; }
}
var products = new List<Product>()
{
new Product { Name = "Laptop", Price = 1000m },
new Product { Name = "Mouse", Price = 50m }
};
var productInfo = from p in products
select new { p.Name, p.Price };
group子句
group子句用于对查询结果进行分组。例如，按部门对员工进行分组：
class Employee
{
public string Name { get; set; }
public string Department { get; set; }
}
var employees = new List<Employee>()
{
new Employee { Name = "Alice", Department = "HR" },
new Employee { Name = "Bob", Department = "IT" },
new Employee { Name = "Charlie", Department = "HR" }
};
var groupedEmployees = from e in employees
group e by e.Department into g
select new { Department = g.Key, Employees = g };
LINQ方法语法
除了查询表达式语法，LINQ还支持方法语法。方法语法使用扩展方法来执行查询操作。例如，使用方法语法从整数数组中筛选出偶数：
int[] numbers = { 1, 2, 3, 4, 5 };
var evenNumbers = numbers.Where(num => num % 2 == 0);
在这个例子中，Where是IEnumerable<int>的扩展方法，它接受一个Lambda表达式作为参数。
常用方法介绍
Where：用于筛选数据，与查询表达式中的where子句功能类似。
string[] words = { "apple", "banana", "cat", "dog", "elephant" };
var longWords = words.Where(word => word.Length > 3);
OrderBy和OrderByDescending：用于排序，对应查询表达式中的orderby子句。
class Employee
{
public string Name { get; set; }
public decimal Salary { get; set; }
}
var employees = new List<Employee>()
{
new Employee { Name = "Alice", Salary = 5000m },
new Employee { Name = "Bob", Salary = 6000m },
new Employee { Name = "Charlie", Salary = 4500m }
};
var sortedEmployees = employees.OrderByDescending(e => e.Salary);
Join：用于关联数据，与查询表达式中的join子句类似。
class Student
{
public int StudentId { get; set; }
public string Name { get; set; }
}
class CourseGrade
{
public int StudentId { get; set; }
public string Course { get; set; }
public int Grade { get; set; }
}
var students = new List<Student>()
{
new Student { StudentId = 1, Name = "Tom" },
new Student { StudentId = 2, Name = "Jerry" }
};
var courseGrades = new List<CourseGrade>()
{
new CourseGrade { StudentId = 1, Course = "Math", Grade = 85 },
new CourseGrade { StudentId = 2, Course = "English", Grade = 90 }
};
var studentGrades = students.Join(courseGrades,
s => s.StudentId,
cg => cg.StudentId,
(s, cg) => new { s.Name, cg.Course, cg.Grade });
Select：用于选择结果，类似于查询表达式中的select子句。
class Product
{
public string Name { get; set; }
public decimal Price { get; set; }
}
var products = new List<Product>()
{
new Product { Name = "Laptop", Price = 1000m },
new Product { Name = "Mouse", Price = 50m }
};
var productNames = products.Select(p => p.Name);
GroupBy：用于分组，对应查询表达式中的group子句。
class Employee
{
public string Name { get; set; }
public string Department { get; set; }
}
var employees = new List<Employee>()
{
new Employee { Name = "Alice", Department = "HR" },
new Employee { Name = "Bob", Department = "IT" },
new Employee { Name = "Charlie", Department = "HR" }
};
var groupedEmployees = employees.GroupBy(e => e.Department);
LINQ技术内幕 - 延迟执行与迭代
延迟执行原理
如前文所述，LINQ查询通常是延迟执行的。这是因为LINQ查询返回的是一个IEnumerable<T>对象，它只包含查询的定义，而不是实际的结果。只有当对这个IEnumerable<T>对象进行迭代（例如通过foreach循环）时，查询才会真正执行。例如：
var numbers = Enumerable.Range(1, 10);
var query = numbers.Where(num => num % 2 == 0);
// 此时查询并未执行
foreach (var result in query)
{
// 当遍历query时，查询才会执行
Console.WriteLine(result);
}
这种延迟执行机制带来了很多好处，比如可以对查询进行组合和修改，而不会立即消耗资源。同时，多次迭代同一个IEnumerable<T>对象时，每次迭代都会重新执行查询，这意味着如果数据源在迭代之间发生了变化，查询结果也会相应改变。
迭代过程
当对IEnumerable<T>对象进行迭代时，LINQ会按照查询定义依次执行各个操作。例如，对于一个包含Where和Select操作的查询：
int[] numbers = { 1, 2, 3, 4, 5 };
var result = numbers.Where(num => num % 2 == 0).Select(num => num * 2);
foreach (var value in result)
{
Console.WriteLine(value);
}
在迭代result时，首先会执行Where操作，筛选出偶数，然后对筛选后的结果执行Select操作，将每个偶数乘以2。这个过程是逐行进行的，而不是一次性处理整个数据集，这对于处理大型数据集非常高效。
LINQ技术内幕 - 表达式树
表达式树概念
表达式树是一种数据结构，用于表示代码中的表达式。在LINQ中，表达式树用于表示查询逻辑，特别是在处理支持LINQ to SQL或LINQ to Entities等基于数据库的查询时。表达式树允许将查询逻辑以一种可解析和转换的形式表示出来，这样可以将查询翻译成SQL语句并在数据库中执行。
例如，考虑以下简单的LINQ查询：
int[] numbers = { 1, 2, 3, 4, 5 };
var query = numbers.Where(num => num > 3);
这里的Lambda表达式num => num > 3可以被表示为一个表达式树。表达式树包含了操作数（num和3）和操作符（>）等信息。
表达式树的作用
- 查询翻译：在LINQ to SQL中，表达式树被用于将LINQ查询翻译成SQL语句。例如，上述查询可能被翻译成
SELECT * FROM Numbers WHERE Number > 3。 - 动态查询构建：可以动态构建表达式树，从而实现动态的查询逻辑。例如：
using System;
using System.Linq;
using System.Linq.Expressions;
class Program
{
static void Main()
{
int threshold = 3;
var numbers = Enumerable.Range(1, 5).AsQueryable();
ParameterExpression param = Expression.Parameter(typeof(int), "num");
BinaryExpression condition = Expression.GreaterThan(param, Expression.Constant(threshold));
Expression<Func<int, bool>> lambda = Expression.Lambda<Func<int, bool>>(condition, param);
var result = numbers.Where(lambda);
foreach (var num in result)
{
Console.WriteLine(num);
}
}
}
在这个例子中，根据变量threshold动态构建了表达式树，然后用于LINQ查询。
LINQ查询表达式优化
减少不必要的操作
- 避免多次迭代数据源：如果在查询中多次使用同一个数据源，尽量将中间结果缓存起来。例如：
// 不好的示例，多次迭代numbers数组
int[] numbers = { 1, 2, 3, 4, 5 };
var sum = numbers.Where(num => num % 2 == 0).Sum();
var count = numbers.Where(num => num % 2 == 0).Count();
// 优化后，只迭代一次
var evenNumbers = numbers.Where(num => num % 2 == 0);
var sumOptimized = evenNumbers.Sum();
var countOptimized = evenNumbers.Count();
- 去除冗余的筛选条件：检查
where子句中是否有可以合并或简化的条件。例如：
// 不好的示例，有冗余条件
class Product
{
public string Name { get; set; }
public decimal Price { get; set; }
public bool InStock { get; set; }
}
var products = new List<Product>()
{
new Product { Name = "Laptop", Price = 1000m, InStock = true },
new Product { Name = "Mouse", Price = 50m, InStock = false }
};
var result = from p in products
where p.InStock == true && p.Price > 0
select p;
// 优化后，简化条件
var optimizedResult = from p in products
where p.InStock && p.Price > 0
select p;
合理使用索引
- 对于数据库查询：确保在数据库表的相关列上创建了适当的索引。例如，在LINQ to SQL查询中，如果经常根据
Customer表的Name列进行筛选：
// 假设使用LINQ to SQL
var customers = from c in db.Customers
where c.Name == "John"
select c;
在数据库中对Customer.Name列创建索引可以显著提高查询性能。
- 对于集合查询：在某些情况下，可以使用
HashSet<T>或Dictionary<TKey, TValue>等集合类型，它们基于哈希表实现，查找操作的时间复杂度为O(1)。例如：
// 使用HashSet进行快速查找
HashSet<int> numbersSet = new HashSet<int>(Enumerable.Range(1, 10));
var containsResult = numbersSet.Contains(5);
优化排序操作
- 减少排序字段：如果对多个字段进行排序，尽量减少不必要的排序字段。例如：
class Employee
{
public string Name { get; set; }
public int Age { get; set; }
public decimal Salary { get; set; }
}
var employees = new List<Employee>()
{
new Employee { Name = "Alice", Age = 25, Salary = 5000m },
new Employee { Name = "Bob", Age = 30, Salary = 6000m }
};
// 不好的示例，对多个字段排序
var sortedEmployees = from e in employees
orderby e.Name, e.Age, e.Salary
select e;
// 优化后，只对关键字段排序
var optimizedSortedEmployees = from e in employees
orderby e.Salary
select e;
- 选择合适的排序算法：在某些情况下，可以手动选择排序算法。例如，对于已经部分有序的数据，插入排序可能比快速排序更高效。不过，在LINQ中，这通常由底层实现决定，开发者能直接干预的较少，但了解这一点有助于理解性能差异。
处理大数据集
- 分页处理：当处理大量数据时，使用分页技术可以减少每次加载的数据量。例如，在LINQ to SQL中，可以使用
Skip和Take方法实现分页：
// 假设使用LINQ to SQL，每页显示10条记录
int pageNumber = 1;
int pageSize = 10;
var customers = from c in db.Customers
orderby c.CustomerId
skip (pageNumber - 1) * pageSize
take pageSize
select c;
- 使用流处理：对于非常大的数据集，可以使用流处理技术，避免一次性加载整个数据集到内存中。例如，在读取文件数据时，可以逐行读取并进行处理：
using System.IO;
using System.Linq;
var lines = File.ReadLines("largeFile.txt");
var result = lines.Where(line => line.Contains("keyword")).ToList();
这里File.ReadLines以流的方式读取文件，不会一次性将整个文件加载到内存中。
不同数据源下的LINQ优化
LINQ to Objects（内存集合）
- 使用合适的集合类型：如前文提到的，对于查找操作频繁的场景，使用
HashSet<T>或Dictionary<TKey, TValue>。对于需要频繁插入和删除的场景，LinkedList<T>可能更合适。例如：
// 使用Dictionary进行快速查找
Dictionary<int, string> idToName = new Dictionary<int, string>()
{
{ 1, "Alice" },
{ 2, "Bob" }
};
var name = idToName.ContainsKey(1)? idToName[1] : null;
- 避免不必要的装箱和拆箱：在处理值类型时，要注意避免装箱和拆箱操作。例如，尽量使用泛型集合而不是非泛型集合：
// 不好的示例，会发生装箱操作
ArrayList numbersList = new ArrayList();
numbersList.Add(1);
// 优化后，使用泛型集合避免装箱
List<int> numbers = new List<int>() { 1 };
LINQ to SQL
- 预编译查询：对于经常执行的查询，可以使用预编译查询来提高性能。例如：
using System.Data.Linq;
// 定义预编译查询
var query = CompiledQuery.Compile((DataContext db, string name) =>
from c in db.Customers
where c.Name == name
select c);
// 使用预编译查询
using (var db = new DataContext(connectionString))
{
var customers = query(db, "John");
}
- 处理复杂查询：对于复杂的查询，尽量将其分解为多个简单的查询，避免一次性执行过于复杂的SQL语句。同时，注意处理好表之间的关联关系，确保使用正确的连接类型（内连接、外连接等）。
LINQ to Entities
-
优化实体模型：确保实体模型设计合理，避免不必要的导航属性和复杂的继承结构。例如，减少不必要的一对一或多对多关系，除非确实需要。
-
使用存储过程：在某些情况下，使用存储过程可以提高性能，特别是对于复杂的数据库操作。可以在Entity Framework中调用存储过程，并将其结果映射到实体对象。例如：
using (var context = new MyEntities())
{
var result = context.Database.SqlQuery<MyEntity>("EXEC MyStoredProcedure @param1, @param2",
new SqlParameter("@param1", value1),
new SqlParameter("@param2", value2)).ToList();
}
通过深入理解LINQ技术内幕并进行合理的查询表达式优化，可以显著提高应用程序在处理各种数据源时的性能和效率。无论是在小型应用还是大型企业级项目中，LINQ都是一个强大而灵活的工具，掌握其优化技巧对于开发者来说至关重要。