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C#13新特性介绍：LINQ 的优化设计

article 2024/11/25 21:43:25

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前言

C#13的发布引入了许多备受关注的新特性，其中包括语言功能的进一步扩展和对性能的深度优化。特别是在 LINQ（Language Integrated Query）方面，微软通过改进其底层实现和引入更多灵活特性，为开发者提供了处理数据的强大工具。

一、LINQ 的优化设计

LINQ 是 C# 的核心功能之一，广泛应用于数据查询和处理场景。C# 13 针对 LINQ 的以下方面进行了显著改进：

1.1 新增方法和重载

C#13为 LINQ 引入了一些新方法和重载，扩展了其功能。例如：

提供对 Span<T> 和 ReadOnlySpan<T> 的直接支持。
增加了高效的分组和聚合操作，用于处理流式数据。引入了新的方法 CountBy 和 AggregateBy

在以前的版本中，LINQ 操作在处理大数据集时可能会产生大量的堆分配，从而影响性能。在 C# 13 中，微软对 LINQ 的底层实现进行了优化，减少了内存分配，提高了运行速度。

示例：高效筛选与转换

以下代码展示了如何使用 LINQ 处理数据，同时避免不必要的内存分配：

using System;
using System.Linq;
class Program
{
    static void Main()
    {
        ReadOnlySpan<int> data = stackalloc[] { 1, 2, 3, 4, 5 };
        var result = data.ToArray().Where(x => x > 2).Select(x => x * 2).ToArray();
        Console.WriteLine(string.Join(", ", result)); 
    }
}

执行输出

6, 8, 10

解释：
在代码示例中，使用了 ReadOnlySpan<int> 来初始化数据，它的关键在于实现了内存分配在栈上而不是堆上的场景。

1. 什么是 `Span<T>` 和 `ReadOnlySpan<T>`?

Span<T> 和 ReadOnlySpan<T> 是 C# 中的结构体，用于操作连续的内存区域，通常应用于性能敏感的场景。
栈上分配：
- 使用 stackalloc 创建的内存分配在栈上而非堆上。
- 栈上内存由线程自动管理，无需垃圾回收器的介入。
- 栈分配的生命周期较短，但访问速度极快。
堆分配：
- 普通数组（如 int[]）的内存分配在堆上，堆需要依赖垃圾回收机制，开销较大。

2. 为什么 `stackalloc` 分配在栈上？

ReadOnlySpan<int> data = stackalloc[] { 1, 2, 3, 4, 5 };

stackalloc 特性：
- 创建一个不可调整大小的固定内存缓冲区。
- 此缓冲区分配在线程的栈帧中，而非托管堆中。
区别：
- 普通数组（int[] data = { 1, 2, 3, 4, 5 };）会在堆上分配，垃圾回收器会追踪其生命周期。
- stackalloc 创建的 Span<T> 或 ReadOnlySpan<T> 则直接位于栈帧中，无需 GC 干预，性能更优。

3. 为什么 LINQ 的 `Where` 和 `Select` 不能直接操作栈上数据？

C# 目前的 LINQ 方法（如 Where 和 Select）是基于 IEnumerable<T> 实现的，而 Span<T> 和 ReadOnlySpan<T> 并未实现 IEnumerable<T> 接口。因此，需要通过 ToArray() 将栈分配的 Span 转换为托管堆上的数组。

var result = data.ToArray().Where(x => x > 2).Select(x => x * 2).ToArray();

在这里：

data.ToArray()：将栈上分配的数据拷贝到堆上的数组中。
LINQ 的 Where 和 Select 针对堆上数组执行查询。
最终返回的结果 result 仍然分配在堆上。

4. 为什么 `Span<T>` 提升了性能？

尽管示例中最终使用了堆分配的数组，但最初的数据初始化（通过 stackalloc）避免了临时数组分配到堆中：

栈分配的开销更小，因为它直接在线程栈帧上分配。
堆分配需要垃圾回收器管理，尤其是在大规模、频繁分配的小对象场景中，会导致内存碎片化和 GC 压力增加。

二、新的 `params` 支持及其与 LINQ 的结合

2.1 `params` 的扩展功能

C# 13 将 params 参数从仅支持数组扩展到了支持任意集合表达式的类型（如 List<T> 和 IEnumerable<T>）。这使得方法调用更加灵活，减少了代码冗余。

示例：增强的 `params`

using System;
using System.Collections.Generic;
class Program
{
    static void Main()
    {
        Print("Monday", "Tuesday", "Wednesday");
    }
    static void Print(params IEnumerable<string> values)
    {
        foreach (var value in values)
        {
            foreach (var item in value)
            {
                Console.Write(item + " ");
            }
        }
        Console.WriteLine();
    }
}

执行结果

M o n d a y T u e s d a y W e d n e s d a y

优点：

灵活传递多个值或集合。
减少了数组的创建和传递成本。

2.2 与 LINQ 的结合

通过结合 LINQ 的强大查询能力，可以直接在 params 参数上调用 LINQ 方法：

using System;
using System.Linq;
class Program
{
    static void Main()
    {
        var result = FilterAndDouble("Monday", "Tuesday", "Wednesday");
        Console.WriteLine(string.Join(", ", result)); 
    }

    static IEnumerable<string> FilterAndDouble(params string[] items)
        => items.Select(item => item.ToUpper());
}

执行结果

MONDAY, TUESDAY, WEDNESDAY

三、扩展类型（Extension Types）

C#13引入的扩展类型功能为开发者提供了增强现有类型的新方式。通过扩展类型，可以为已有类型动态添加新的行为，同时保持原始类型的功能不变。

3.1 使用扩展类型自定义 LINQ 操作

以下示例展示如何为 IEnumerable<T> 添加扩展方法，用于筛选偶数：

using System;
using System.Collections.Generic;
public static class EnumerableExtensions
{
    public static IEnumerable<int> FilterEven(this IEnumerable<int> source)
    {
        foreach (var item in source)
        {
            if (item % 2 == 0)
                yield return item;
        }
    }
}

class Program
{
    static void Main()
    {
        var numbers = new List<int> { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
        var evens = numbers.FilterEven();
        Console.WriteLine(string.Join(", ", evens)); 
    }
}