《C# 本事》摘錄：LINQ (1)

改來改去，LINQ 這一章的骨架與呈現方式終於大致底定。如果我正要開始學習 LINQ，我會希望有這樣的書可以參考。我打算把其中部分內容摘錄一些上來，一方面替這個快要荒蕪的部落格加一些東西，另一方面也是為這本書打個廣告。

我想，這系列的第一篇就從〈LINQ 提供者〉這一節開始節錄吧，其中包括 IEnumerable<T> 與 IQueryable<T> 的差別，這是面試時經常問到的問題。

註：由於是從電子書上面轉貼至網頁，有些文字的格式（例如程式碼）可能跟書裡面呈現的不一樣。此外，電子書的內容仍在持續更新，所以一定會比這裡摘錄的文章還要新（當然也更完整）。

以下開始摘錄內容...

LINQ 提供者

經過前面的介紹，你已經知道，.NET Framework 為 LINQ 查詢語法定義了一套基本的查詢操作（例如篩選、排序等等），這套基本的查詢操作稱為「標準查詢運算子」。那麼，對於每一種不同類型的資料來源，都得要有人去實作這些運算子（你可以理解為實作一組底層的 API），我們才能用 LINQ 語法去查詢特定類型的資料。那些針對特定資料類型所實作的一組 LINQ API，便叫做「LINQ 提供者」（LINQ providers）。.NET Framework 內建了數個提供者，其中最常用到的兩個 LINQ 提供者是：

• LINQ to Objects：
  用來對序列／集合物件進行查詢。它是由 System.Linq.Enumerable 類別所提供的擴充方法所構成的一組 API，擴充的對象是 IEnumerable<T>。因此，只要是有實作 IEnumerable<T> 的物件，都可以用這組擴充方法。由於這組 API 所查詢的對象是本地（local）記憶體中的集合物件，故這類查詢又稱之為「本地查詢」。
• LINQ to Entities：
  用於查詢資料庫。此提供者是使用 IQuerable<T> 介面，而我們可以透過 System.Linq.Queryable 類別所實作的運算子（擴充方法）來進行查詢。

另外還有 LINQ to XML、LINQ to OData 等等，你也可以在網路上找到一些第三方、開放原始碼的 LINQ 提供者。有了這些 LINQ 提供者，我們就能使用同一種語法來查詢不同來源的資料。

註：本章內容幾乎都是屬於 LINQ to Objects 的範疇。 

IEnumerable<T> vs. IQueryable<T>

介面 IEnumerable<T> 可說是 LINQ to Objects 的靈魂，因為其查詢運算子所操作的對象都是此類型的物件。另一方面，許多資料庫提供者則是使用 IQueryable<T>，亦即查詢的資料來源是實作了 IQueryable<T> 的物件。這兩種介面有什麼差異呢？

底下是 IQueryable<T> 與其相關型別的定義：

public interface IQueryable : IEnumerable
{
    Type ElementType { get; }
    Expression Expression { get; }
    IQueryProvider Provider { get; }
}

public interface IQueryable<out T> : IEnumerable<T>, IQueryable
{ 
}

public interface IQueryProvider
{
    IQueryable CreateQuery(Expression expression);
    IQueryable<TElement> CreateQuery<TElement>(Expression expression);
    object Execute(Expression expression);
    TResult Execute<TResult>(Expression expression);
}

你可以看到， IQueryable<T> 繼承自 IQueryable 和 IEnumerable<T>，所以 IEnumerable<T> 能做的， IQueryable<T> 也都能做。就像 System.Linq.Enumerable 靜態類別為 IEnumerable<T> 提供了一組擴充方法（所謂的標準查詢運算子），在 System.Linq.Queryable 靜態類別當中也同樣為 IQueryable<T> 提供了一組標準查詢運算子。

雖然 IQueryable<T> 本身並未增加任何新的方法，但它的基礎型別 IQueryable 有兩個新成員：

• IQueryProvider 物件。此物件的角色是查詢提供者，它會負責把 LINQ 查詢表示式轉 換成底層資料來源的查詢語法。
• Expression 物件。此物件保存了查詢表示式樹（ expression tree）。

觀察 IQueryProvider 介面所定義的方法，可以發現它操作的對象是 Expression 物件。而我們又可以從 IQueryable<T> 的擴充方法所接受的參數看到 Expression，例如 Where() 方法：

public static class Queryable
{
    public static IQueryable<TSource> Where<TSource>(
        this IQueryable<TSource> source,
        Expression<Func<TSource, bool>> predicate) // 傳入 Expression 物件
    ...
}

這是因為，IQueryable<T> 的擴充方法其實都是把真正的查詢工作交給背後的 IQueryProvider 物件來執行。

這裡有一個和 IEnumerable<T> 明顯不同的地方：使用 IQueryable<T> 的擴充方法時，傳入的 lambda 表示式會被編譯器轉譯成 Expression 類型的物件，而使用 IEnumerable<T> 的擴充方法時，傳入的 lambda 則被單純轉譯成委派。試將底下的 IEnumerable<T> 的 Where() 方法跟剛才的 IQueryable<T> 的 Where() 比較，便可發現兩者的差異。

Note: Lambda 表示式可以被轉換成委派（delegate）或表示式樹（expression tree）。

public static class Enumerable
{
    public static IEnumerable<TSource> Where<TSource>(
        this IEnumerable<TSource> source,
        Func<TSource, bool> predicate)  // 傳入委派
    ...
}

有些 LINQ 提供者需要使用 IQueryable<T> （而不是 IEumerable<T>），通常就是因為它們需要保存完整的表示式樹（ expression tree），以便將 LINQ 查詢轉換成底層資料來源所使用的查詢語法（例如 SQL）。

使用 IQueryable<T> 的好處是，它是針對查詢結果來列舉元素，亦即在遠端（資料庫）執行完查詢之後，才去巡覽其中的元素。另一方面，使用 IEumerable<T> 的查詢方法時，它需要巡覽集合中的全部元素，以便對各元素進行篩選或排序等操作。也因為這個緣故，我們說 IEumerable<T> 適用於查詢本地記憶體中的（ in-memory）集合，而 IQueryable<T> 適合用於查詢遠端資料的場合。


容我借用網路上一個影片當中的例子來補充說明。範例程式碼如下：

EmpEntities ent = new EmpEntities();
IEnumerable<Employee> emp = ent.Employees;  // 透過 Entity Framework 載入員工資料
IEnumerable<Employee> temp = emp.Where(x => x.Empid == 2).ToList<Employee>();

這裡使用了 Entity Framework 來查詢資料庫。當程式執行第 3 行敘述時，背後產生的 SQL 指令是選取整個資料表，而沒有事先篩選 Empid == 2 的員工資料。篩選的工作是後來在用戶端這邊才處理的。