LINQ基礎 - 委派與Lambda

前言

為了要對於每一筆資料做特定的處理 , LinQ 方法常會在走訪資料集合的時候 , 透過執行委派來得到期望的結果. 而為求方便與簡潔 , LinQ 常使用 Lambda 來指定委派. 所以 Lambda 對於 LinQ 來說 , 非常重要.

委派

• 委派是一種方法簽章的型別
• 委派的概念類似於 C++ 的函式指標 , 也許可以想成是儲存方法的變數(?)
• 想執行委派儲存的方法 , 可直接呼叫(跟方法的呼叫方式相同)或透過執行 Invoke() 實例方法.
• 委派讓我們可以將方法當做引數傳遞給其他方法
• C# 中的委派是多重的 (鏈式委派)
• 委派的存在使得依賴可以降低到方法簽章
• 委派支援逆變
• 委派可想成是對介面作抽象 (僅在乎方法簽章型別是否正確)
• 委派家族(既有的委派型別)
  • Action 家族
  • Func 家族
  • EventHandler 家族
  • Predicate<T>

委派的繼承圖

digraph hierarchy {

                nodesep=0.5 // increases the separation between nodes
                
                node [color=Red,fontname=Courier,shape=box] //All nodes will this shape and colour
                edge [color=Blue, style=line] //All the lines look like this
                
                T [label="Delegate Class"]      // node T
		        P [label="MulticastDelegate lass"]  // node P
                C [label="Action, Func, EventHandler ,以及你自訂的委派..."]

		T->P [label="繼承", fontcolor=darkgreen] 
        P->C [label="繼承", fontcolor=darkgreen] 
                
}

MulticastDelegate

• MulticastDelegate 為特殊類別. 只有編譯器和其他工具可以衍生自這個類別 (不是給 Programmer 用的.)
• 我們使用的委派都繼承自這個類別(包含自定義).
• 委派是多重的 , 這代表委派可以儲存不只一個方法在它的引動過程清單中.
• MulticastDelegate 具有可為複數項目組成的委派連結串列(Linked List)，稱為引動過程清單. 當叫用 Invoke() 多點傳送委派時 , 依指派的順序循序呼叫引動過程清單中的方法.

委派的使用方式

使用委派的過程如下

• 建立委派一個 , 步驟如下
  1. 定義委派的結構 -> E.g. delegate void ShowMoneyType(string s, int x)
  2. 宣告一個委派變數 -> E.g. ShowMoneyType someThing
  3. 定義一個滿足上述委派結構的方法 -> E.g. void DisplayCash(string str , int value)
     • 輸入參數個數以及型態和回傳值都必須與該委派結構相同 , 否則無法存入委派.
  4. 指派給委派一個實體 -> E.g. someThing=DisplayCash
• 呼叫委派實體 (可使用 invoke , 進行呼叫)

由上面的步驟 , 或許可將委派想成有三個層面

• 宣告端 : 定義委派結構
  • 宣告委派和定義方法很類似. 它包含一個回傳類型和任意數量的參數. 所以此階段最主要工作就是要明確定義回傳型別和參數型別
• 邏輯端 : 設定執行步驟細節(定義滿足委派結構的方法)
  • 可透過具體函式或是匿名函式來設定.
• 呼叫端 : 負責連接宣告端和邏輯端 , 並呼叫委派
  • 此端決定呼叫委派的時機 (會需要建立一個委派實體 , 以便呼叫委派)

以下為指派實作細節(邏輯端)給委派的三種方式.

1. 具名函式 : 有函式名的函式 lol
2. 匿名函式
   • 匿名方法
   • Lambda運算式

C#1.0 具名函式

將已宣告的方法指派給委派.

範例

static class Program
{
     // 邏輯端 - 實際要做的事情細節
     public static void DisplayCash(string name , int value)
     {
         Console.WriteLine($"{name} have {value}");
     }
     
     static void Main(string[] args)
     {
          // 呼叫端 - 傳入參數以實體化委派(做了someThing=DisplayCash這個動作)
          // 然後執行doSomeThing() 
          new City().DoSomeThing(DisplayCash);
          Console.ReadLine();
     }
}

public class City
{
     private readonly int _money = 150;
     private readonly string _name = "City";

     // 宣告端 - 宣告委派
     public delegate void ShowMoneyType(string s , int x);

     public void DoSomeThing(ShowMoneyType someThing) => someThing(_name , _money);
}

C#2.0 匿名方法 delegate 關鍵字

格式 : delegate (arguments) { statements }

• delegate: 匿名方法的保留字
• arguments: 輸入參數
  • 輸入參數可有多個. 使用逗號隔開. 但需要定義參數型別.
• statements: 此函式執行的程式碼片段

在 C# 2.0 中引入匿名方法後 , 就不必一定要使用某一個執行個體方法或靜態方法 , 來指定委派變數. 可直接透過匿名方法來定義委派要執行的內容.

範例

static class Program
{
     static void Main(string[] args)
     {
          // 使用匿名方法即時定義執行細節.
          new City().DoSomeThing(delegate (string name, int money) 
          { 
               Console.WriteLine($"{name} have {money}");
          });
          Console.ReadLine();
     }
}

public class City
{
     private readonly int _money = 150;
     private readonly string _name = "City";

     public delegate void ShowMoneyType(string s, int x);

     public void DoSomeThing(ShowMoneyType someThing) => someThing(_name, _money);
}

C#3.0 Lambda

格式 : (arguments) => expression | { statements }

• arguments : 輸入參數
  • 只有一個參數時可不加括號 , 但複數個參數必須加上括號 , 並且參數之間要用逗號隔開.

    • ​​​​​​​​​​​(x) => x * 15 //合法
      ​​​​​​​​​​​ x  => x * 15 //合法
      ​​​​​​​​​​​(x,y) => x * y //合法 
      

  • 可以不用明確指定型別 , 但明確指定型別時一定要加上括號

    • ​​​​​​​​​​(int x) => x * 15 //合法
      

  • 用空括號()來表示沒有輸入參數.

    • ​​​​​​​​​​() => 1 * 15 //合法
      

• expression: 運算式
  • 不使用大括號{} , 則僅能使用單行程式碼作為運算式.
  • 運算式後不需要加分號 ;
  • 若函數需要回傳 , expression 的運算結果代表回傳值.

    • ​​​​​​​​​​(int x) => x * 15 //合法
      

• { statements }: 程式碼區塊
  • statement為此函數執行的程式碼敘述.
  • 程式碼區塊可以有複數行程式碼 , 另外每行最後要加分號 ;
  • 若函數需要回傳 , 使用 return 關鍵字.

    • ​​​​​​​​​​(int x) => {
      ​​​​​​​​​​             var value = x * 15;
      ​​​​​​​​​​             return value;
      ​​​​​​​​​​           } //合法
      

比較 Lambda 與匿名方法的差異

1. 不用透過 delegate 關鍵字來建立匿名函式.
2. 除非會影響可讀性 , 否則不需要定義參數的型別 .
3. 括弧可以省略 .

參考此資料 , 微軟也建議我們開始使用 Lambda 取代匿名方法

我們建議使用 Lambda 運算式，因為它們提供更簡潔且更具表達性的方式來撰寫內嵌程式碼.

範例

static class Program
{
     static void Main(string[] args)
     {
          // 使用Lambda即時定義執行細節.
          new City().DoSomeThing((name, money) => Console.WriteLine($"{name} have {money}"));
          Console.ReadLine();
     }
}

public class City
{
     private readonly int _money = 150;
     private readonly string _name = "City";

     public delegate void ShowMoneyType(string s, int x);

     public void DoSomeThing(ShowMoneyType someThing) => someThing(_name, _money);
}

委派的多重特性

表示多重傳送的委派 (Delegate)；也就是說，委派可以在它的引動過程清單中包含一個以上的項目。

由上述參考可知 , 委派有一個清單儲存多個方法實體 , 並且再呼叫委派時 , 依序呼叫這些方法.

範例

public delegate void Print();
public static Print print = null;

static void Main(string[] args)
{
    print += () => Console.WriteLine("Test1");
    print += () => Console.WriteLine("Test2");
    print += () => Console.WriteLine("Test3");

    print();            

    Console.ReadKey();
}

輸出結果

GetInvocationList

若是委派具有回傳值 , 並需要個別取得其每一個方法的結果 , 可使用 GetInvocationList ()

範例

public delegate int Math(int num);
public static Math math = null;

static void Main(string[] args)
{
    math += (num) => num + 1;
    math += (num) => num - 1;
    math += (num) => num * 1;

    foreach (Math deleglateItem in math.GetInvocationList())
    {
        Console.WriteLine(deleglateItem.Invoke(10));
    }

    Console.ReadKey();
}

輸出

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委派參數與回傳值型別變異性

• 委派預設機制
  • 實值型別只支援不變性
  • 參考型別支援共變與逆變
• 自定義委派使用泛型
  • 對於僅作為輸出的型別參數 , 可考慮加入 out 修飾詞使其支援共變性
  • 對於僅作為輸入的型別參數 , 可考慮加入 in 修飾詞使其支援逆變性
• Action 與 Func 皆已完整宣告

delegate object ValDelegate(int i);
delegate object MyDelegate(string s);

static object SimulateDelegate(string s) => InObjOutStr(s);
static string InObjOutStr(object obj) => $"Invoke InObjOutStr  {obj.ToString()}";
static int InStrOutInt(string s) => 3;
static void Main(string[] args)
{
    // 參考型別支援共變與逆變
    var func = new MyDelegate(InObjOutStr);
    // 支援實作的機制大概是這樣
    var result = SimulateDelegate("123");


    // 實值型別只支援不變性
    //var f = new ValDelegate(InObjOutStr); // 實質型別不支援逆變
    //var func = new MyDelegate(InStrOutInt); // 實質型別不支援共變
    Console.ReadLine();
}

委派與介面的選擇

使用委派

• 使用事件設計模式時(EventHandle)
• 封裝的方法是靜態時 , 使用委派.
  • C# 8.0 以前 , 介面內不能有靜態成員
  • C# 8.0 以後 , 靜態方法是跟著介面名稱走的 , 享受不到原本使用介面的好處. 例如多型.
• 呼叫端不需要存取方法實作所在之物件的其他屬性、方法或介面
• 想要易於撰寫時
• 類別可能需要同樣簽章方法的多個實作時

使用介面

• 存在有可能被呼叫的相關方法群組時
• 類別只需要方法的一個實作
• 實作此介面的類別可能有需要將介面轉型成另一介面或類別
• 要實作的方法會連結至類別的型別或類別本身 , 例如比較方法

結論

想要建立一個符合委派結構的實體 , 從一開始 C#1.0 只能透過指定一個具名函式 , 到 C#2.0 可以使用 delegate 關鍵字以建立匿名方法來定義匿名函式 , 到 C#3.0 可以使用更簡易的 Lambda 語法來定義匿名函式 透過 Lambda , 我們不必再額外定義一個方法去作為具名函式了 , 而是可以再需要呼叫委派時 , 馬上透過 Lambda 語法 , 即時的實體化委派並呼叫.

以下簡易地實作 LinQ 的 Where 方法來作為此篇的結論

public delegate bool CityPredicate<TSource>(TSource item);
static IEnumerable<TSource> MyWhere<TSource>(this IEnumerable<TSource> source, CityPredicate<TSource> predicate)
{
     foreach (var item in source)
     {
          if (predicate(item))
          {
               yield return item;
          }
     }
}

static void Main(string[] args)
{
     List<int> vs = new List<int>() { 5, 4, 8, 7 };
     foreach (var item in vs.MyWhere(number => number >= 5))
     {
          Console.WriteLine(item);
     }
     Console.ReadKey();
}

輸出結果

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