LINQ 第 3 部分：IQueryable 简介

Eric Lynch

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2018年4月20日

CPOL

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LINQ 系列的第三部分，本文介绍了 IQueryable、IQueryProvider 和 LINQ 表达式树。

引言

在本系列中，我们探讨了 IEnumerable 并研究了扩展此接口的标准方法。这些方法共同构成了 LINQ 的一小部分但至关重要的部分，称为 LINQ to Objects。

LINQ 的另一个重要方面是它能够查询其他数据源（例如数据库），其中信息不驻留在本地内存中。事实上，它甚至可能存在于完全不同的机器上。

为了支持这种非常不同的需求，LINQ 引入了查询提供程序 (System.Linq.IQueryProvider)、表达式树 (System.Linq.Expressions.Expression) 和可查询序列 (System.Linq.IQueryable) 的概念。本文将探讨这些概念。

背景

对于 LINQ to Objects，LINQ 可以简单地提供直接在查询序列上操作的标准方法。对于其他数据源，这将是低效的。

例如，对于数据库，我们希望尽可能少地往返于服务器。此外，我们希望请求尽可能少的信息。最后，我们希望充分利用数据库产品的所有“智能”。

为方便起见，LINQ 引入了以下新概念

查询提供程序 (IQueryProvider) - 这是一种专门的软件，可以解释查询，从而高效地利用底层资源。
表达式树 (Expression) - 树由查询元素构成。该树稍后由查询提供程序分析。这对于编写过解析器或编译器的人来说应该很熟悉。
可查询序列 (IQueryable) - 这大致相当于 LINQ to Objects 中的 IEnumerable。它只是将查询提供程序与表达式树配对。

与 IEnumerable 一样，LINQ 提供了一组标准方法，定义在 System.Linq.Queryable 类中。这些方法都扩展了 IQueryable。它们与 System.Linq.Enumerable 中的对应方法共享相同的名称和几乎相同的语法。

虽然这降低了开发人员的学习曲线，但它也具有欺骗性。虽然概念上相似，但这些方法以完全不同的方式实现其目标：它们构建表达式树。

这是 LINQ 系列文章的第三篇。本系列中其他文章的链接如下

LINQ 表达式树

System.Linq.Enumerable 中的大多数方法只是创建 IEnumerable 的新实例，该实例包装了它所操作的实例。由于底层序列通常存在于内存中，或者很容易获取，因此无需真正担心获取它的机制。

System.Linq.Queryable 中的方法以不同的方式操作。每个方法都消耗一个 IQueryable，它只是将表达式树 (Expression) 与查询提供程序 (IQueryProvider) 配对。每个方法都会生成一个新的 IQueryable，其中表达式树已被修改以包含查询的其他元素。

让我们考虑一个简单的查询

Source.Students.Where(student => student.LastName == "Marx")

我们需要考虑的第一个 IQueryable 是 Source.Students。在这种情况下，表达式树 (IQueryable.Expression) 完全由一个节点 (ConstantExpression) 组成。此节点的值 (ConstantExpression.Value) 就是可查询对象本身。

我们需要考虑的下一个 IQueryable 是 Where 方法返回的那个。这里事情变得复杂得多。在这种情况下，表达式树 (IQueryable.Expression) 由许多节点组成。从视觉上看，它显示如下

树中的节点如下所示

对 Where 方法的调用，它接受两个参数，每个参数都出现在树中。
Where 方法操作的原始 IQueryable。
为 Where 方法提供谓词的 Lambda 表达式的容器。注意：在我看来，这个节点是必需的，这似乎很奇怪。
为 Where 方法提供谓词的 Lambda 表达式 (student => student.LastName == "Marx")。
Lambda 表达式的参数 (student)。
在 Lambda 表达式中评估的“等于”比较 (student.LastName == "Marx")。
“等于”比较的左操作数，它访问属性/成员 (LastName)。
“等于”比较的右操作数，常量 "Marx"。
属性/成员访问的参数 (student)。这是找到属性值的特定实例。

表达式树有什么用？

现在，我们有了一个漂亮的表达式树。它有什么用？

这就是查询提供程序 (IQueryProvider) 发挥作用的地方。它负责“执行”表达式树描述的查询。

例如，对于数据库提供程序，它可能会做很多事情。首先，它需要将表达式树转换为 SQL 查询。因此，在我们之前的示例中，这可能类似于

SELECT * FROM Students WHERE LastName = 'Marx'

然后，它可能需要在数据库服务器上执行查询，获取结果，为每一行实例化对象，并提供这些对象的枚举。

快速回顾

从本文中，我们学到了以下内容

System.Linq.Queryable 中的扩展方法通过构建表达式树 (Expression) 对 IQueryable 实例进行操作。
IQueryable 只是将表达式树 (Expression) 与查询提供程序 (IQueryProvider) 配对。
查询提供程序 (IQueryProvider) 负责解释表达式树、执行查询和获取结果。

这里的关键词是“解释”。由于查询提供程序（及其底层资源）可能比 C# 语言更受限制，因此查询中可以出现的内容也有限制。

通常，Lambda 表达式仅限于相当普通的运算：比较、字符串操作和投影（根据现有属性值创建新实例）。确切的限制取决于查询提供程序本身。

如果您只是使用 LINQ 可查询对象，那么到目前为止所学到的知识就是您需要理解的全部内容。

本文的其余部分将深入探讨。您可以根据自己的具体需求选择进一步学习或跳过。

探索更复杂的查询

到目前为止，我们只看了一个非常简单的查询。随着查询复杂度的增加，表达式树会变得相当大。为了方便探索更复杂的查询，本文附带了一个应用程序 (QueryableFun)。

我建议您简单地玩一下这个应用程序。它允许用户运行一些预定义的查询。这些查询是从窗口右上角工具条中的“Queries”下拉列表中选择的。

要执行查询，只需单击“Run”按钮（）。

该应用程序由两个面板组成：表达式树（左侧）和选项卡控件（右侧）。在选项卡控件中，您会找到四个选项卡。它们如下

Expression - 在此处输入或查看 C# LINQ 表达式。
Properties - 当您单击表达式树中的节点时，此选项卡将显示该节点的属性。
Results - 一个包含查询结果的数据网格。
Errors - 在评估表达式时发生的任何编译错误。

下面显示了应用程序的屏幕截图。请理解这只是一个学习应用程序。它不适用于任何生产用途。因此，它的质量低于我通常会生产的水平。

对于 LINQ 的认真探索，我强烈推荐 LINQPad。我与该公司没有任何关联。我只是在自学 LINQ 时非常依赖它。该应用程序提供免费版和付费版。

IQueryable 成员

虽然这是最重要的接口，但它也是最简单的接口。它的主要目的是将表达式树与查询提供程序配对。事实上，它非常简单，单个实现就可以满足大多数查询提供程序的需求。

它只有四个成员，如下所示

成员名称	描述
`表达式`	这是此可查询对象的表达式树。
`元素类型`	构成序列的元素类型。
`提供商`	负责解释和执行查询的查询提供程序。
`GetEnumerator<TElement>`	获取此可查询对象的强类型枚举器 (`IEnumerator<TElement>`)。这通常会调用查询提供程序来解释和执行查询。
`GetEnumerator`	获取此可查询对象的弱类型枚举器 (`IEnumerator`)。通常，这只是调用 `GetEnumerator<TElement>()`。

IQueryProvider 成员

虽然此接口的实现通常相当复杂，但接口本身却相当简单。它允许使用者创建可查询对象并执行表达式。它只有四个成员

成员名称	描述
`CreateQuery()`	为指定的表达式创建弱类型可查询对象 (`IQueryable`)。
`CreateQuery<TElement>()`	为指定的表达式创建强类型可查询对象 (`IQueryable<TElement>`)。
`Execute()`	执行指定的表达式并返回弱类型结果。
`Execute<TResult>()`	执行指定的表达式并返回强类型结果。

QueryableFun 模块

QueryableFun 应用程序主要旨在提供表达式树的外观。虽然它不是一项非常认真的工作，但它确实展示了一些巧妙的技巧。

Roslyn - 它提供了一个使用 Microsoft 的 Roslyn 技术编译和执行 C# 脚本的示例。
IQueryable - 它提供了一个非常简单的 IQueryable 实现示例。此实现没有针对外部资源评估和执行查询的复杂性，而是简单地包装了一个底层集合。
IQueryProvider - 它提供了一个非常简单的 IQueryProvider 实现示例。此实现只是修改表达式树，将原始可查询对象替换为底层集合的可查询对象。然后，它巧妙地利用 LambdaExpression.Compile() 来完成所有繁重的工作。
玩具数据 - 它为 LINQ 查询提供了一些“玩具”数据，因此不需要数据库或更复杂的资源。

此应用程序中的模块如下

模块名称	描述
`EnumerableExtensions`	`IEnumerable` 的扩展，可简化查找枚举的元素类型。
`ExpressionTreeBuilder`	一个填充 Windows 窗体 `TreeView` 的 `ExpressionVisitor`。
`ExpressionTreeRemediator`	一个 `ExpressionVisitor`，它将包含原始 `IQueryable` 的节点替换为底层集合的新 `IQueryable`。
`InterestingQueries`	一组预定义查询，演示了一些常见的用例。
`MainAboutBox`	一个相当标准的“帮助关于...”对话框。
`MainForm`	应用程序的用户界面。
`程序`	应用程序的主要启动点。
`QueryableEnumerable`	`IQueryable` 的一个实现，它只是包装了一个底层集合。
`QueryableEnumerableProvider`	`IQueryProvider` 的一个实现，它使用 `LambdaExpression.Compile()` 来完成所有繁重的工作。
`来源`	LINQ 查询的静态源，可以在用户提供的表达式中轻松引用