使用C# 7元組語(yǔ)言特性優(yōu)化數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)軟件研究

摘 要：C#作為一種現(xiàn)代編程語(yǔ)言，廣泛應(yīng)用于通用業(yè)務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。由于早期的C#語(yǔ)法限制，在數(shù)據(jù)密集型領(lǐng)域使用MatLab、Python、IDL（Interactive Data Language）等動(dòng)態(tài)腳本語(yǔ)言更為合適。C# 7新增了簡(jiǎn)單靈活的輕量級(jí)元組類型。分析了元組的幾個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景，并給出了具體示例，包括多變量初始化、多變量賦值、多變量互換、封裝函數(shù)返回的多變量、作為中間層的數(shù)據(jù)容器、用于LINQ select表達(dá)式獲得語(yǔ)義信息，以及利用析構(gòu)（deconstructing）實(shí)現(xiàn)對(duì)象到元組的自動(dòng)轉(zhuǎn)換等。實(shí)踐表明，元組適合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)，提高了生產(chǎn)效率，達(dá)到了動(dòng)態(tài)語(yǔ)言效果。對(duì)C# 7 tuple存在的缺陷，如deconstructing的非對(duì)稱性、賦值的非傳遞性和可變性（mutable）等提出了改進(jìn)意見(jiàn)，為利用開(kāi)源編譯器Roslyn優(yōu)化C#特性提供了設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：元組；動(dòng)態(tài)腳本；語(yǔ)言設(shè)計(jì)；編譯器Roslyn

DOI：10.11907/rjdk.171599

中圖分類號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）009-0007-03

Abstract：As a modern developing language， C# was widely used in general-purpose software development. But due to C# syntax limitation in the past， data-intensive application domain were dominated by dynamic script languages such as MatLab， Python， IDL（Interactive Data Language）. C# 7 introduces tuple feature which is a simple and flexible data type.Typical application scenarios were analyzed and example details were presented， including initialization， assignment and swap of multiple variables， packing return values of a method， providing semantic information in LINQ select and transform object to tuple members automatically. The study showed that C# tuple is suitable for data-driven software development in order to improve developer productivity and achieves effects of dynamic languages. At last， the C# 7 defects in design， including asymmetry of deconstructing， non-transitivity of assignment and mutable were analyzed， and corresponding updating suggestion were presented， providing ideal for optimize C# 7 features in the future using open source compiler Roslyn.

Key Words：Tuple； Dynamic Script； Language Design； Compiler Roslyn

0 引言

C#作為一種通用的面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言，提供了豐富的類型系統(tǒng)，使得編譯器可進(jìn)行強(qiáng)類型語(yǔ)法檢查，能較好保證代碼的安全性，在用戶界面、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體和地理信息系統(tǒng)等通用軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。但由于語(yǔ)法限制，過(guò)去在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和交互腳本領(lǐng)域，僅僅是提取數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)者需要編寫(xiě)大量額外的類或結(jié)構(gòu)體，掩蓋了開(kāi)發(fā)者的設(shè)計(jì)意圖，降低了開(kāi)發(fā)效率；同時(shí)C#的類實(shí)例（class instance）是引用類型（reference），會(huì)帶來(lái)較大性能損失。

C# 7引入了tuple（元組）類型，由編譯器和IDE（Integrated Development Environment）提供上下文智能感知和強(qiáng)類型檢查，在Visual Studio 2017中可以使用。元組是一種比類和結(jié)構(gòu)體更簡(jiǎn)單靈活的輕量級(jí)（lightweight）值類型（ValueType），完全不同于以前.NET平臺(tái)的Tuple泛型API（Application Programming Interface）。為此，本文探討該元組特性在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。

1 應(yīng)用場(chǎng)景和示例

1.1 多變量同時(shí)初始化

若不利用元組語(yǔ)言特性，兩個(gè)變量初始化一般做法為：

string name = "XiangRikui"；

int age = 10；

利用元組語(yǔ)言特性，兩個(gè)變量初始化可寫(xiě)成下面的第1句，第2句和第3句具有同樣效果，只是利用了C#[1-8]的隱形類型（implicit type），由編譯器的類型推斷（type inference）功能確定真正的強(qiáng)類型（strong type）。

（string name， int age） = （"XiangRikui"， 10）；

（var name， var age） = （"XiangRikui"， 10）；endprint

var （name， age） = （"XiangRikui"， 10）；

1.2 多變量同時(shí)賦值

int age；

string name；

（name， age） = （"XiangRikui"， 1）；

利用元組的多變量同時(shí)初始化和同時(shí)賦值功能，計(jì)算斐波那契數(shù)列，可達(dá)到同動(dòng)態(tài)語(yǔ)言Python相同的精簡(jiǎn)[9]：

int num = 100；

var （a， b） = （0， 1）；

var fib = new List（）； // containing Fibonacci series up to n

while （b < num）

{

fib.Add（b）；

（a， b） = （b， a + b）；

}

1.3 交換變量值

對(duì)于兩個(gè)相同類型（例如字符串）的變量a和b，要交換值，傳統(tǒng)的做法是引入第3個(gè)臨時(shí)變量，而且要考慮臨時(shí)變量的數(shù)據(jù)類型。

string temp = a；

a = b；

b = t；

利用元組，不用引入臨時(shí)變量，可直接互換，這在數(shù)據(jù)排序里非常有用。利用這一特性，可同時(shí)交換任意數(shù)量的變量值。

（a， b） = （b， a）；

1.4 封裝函數(shù)返回的多個(gè)變量

在動(dòng)態(tài)腳本語(yǔ)言如MatLab、Python和ENVI IDL（Interactive Data Language）中，都支持函數(shù)返回多個(gè)變量。但過(guò)去在C#中，一般需要編寫(xiě)新的類或結(jié)構(gòu)體，而類或結(jié)構(gòu)體意味著對(duì)數(shù)據(jù)操作，這掩蓋了開(kāi)發(fā)者意圖，同時(shí)也帶來(lái)了性能損失。利用元組，可以封裝（pack）函數(shù)返回的多個(gè)變量。

例如，利用全站儀測(cè)量的水平距離和方位角，不用編寫(xiě)新的Point類型就可直接利用元組返回函數(shù)計(jì)算坐標(biāo)增量（x， y）。

using static System.Math；

//from length and angle to compute coordinate increment （x，y）

public static （double x， double y） Rect（double length， double angle）

{

double x = length * Cos（angle）；

double y = length * Sin（angle）；

return （x， y）；

}

//tuple function call demo

double len， alpha；

//…

var p = Rect（len， alpha）；

1.5 作為中間層的數(shù)據(jù)容器

元組可存儲(chǔ)來(lái)自文本文件、Excel、XMl和數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，代替重量級(jí)的DataTable或自定義類型。

例如，激光掃描儀測(cè)量的彩色激光點(diǎn)云，同時(shí)具有三維坐標(biāo)和顏色信息，利用元組返回測(cè)量值可表示如下：

（double x， double y， double z， int r， int g， int b） cloudPoint=GetCloudPoint（）；

1.6 獲得語(yǔ)義信息

LINQ表達(dá)式中，select用命名元組（named tuple）表示可以獲得的語(yǔ)義信息 ：

IEnumerable<（int ID， string Title）> currentItems =

from item in AllItems

select （item.ID， item.Title）；

如果不利用命名元組，則要么生成匿名對(duì)象，要么需要處理Item1、Item2這樣的非語(yǔ)義名稱。

1.7 實(shí)現(xiàn)對(duì)象到元組的自動(dòng)轉(zhuǎn)換

在類中定義Deconstruct函數(shù)，把組成該類型的字段用out參數(shù)表示：

public class Point

{

public Point（double x， double y）

{

this.X = x；

this.Y = y；

}

public double X { get； }

public double Y { get； }

//Deconstruct corresponding to tuple element unpack

public void Deconstruct（out double x， out double y）

{

x = this.X；

y = this.Y；

}

public static Point Construct（（double x， double y） tuple）

{

Point result = new Point（tuple.x， tuple.y）；

return result；

}

}

利用析構(gòu)（Deconstruction）功能，編譯器可拆封用戶自定義類型字段，提取字段到相應(yīng)的元組成員，實(shí)現(xiàn)對(duì)象到tuple（字段）的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，tuple字段與Construct函數(shù)中的out變量一一對(duì)應(yīng)：endprint

var p = new Point（3.14， 6.28）；

（double X， double Y） = p；

2 C# 7 tuple存在的缺陷及設(shè)計(jì)建議

2.1 Deconstruction設(shè)計(jì)的非對(duì)稱性

C# 7支持對(duì)象到元組（字段）的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，但不支持tuple到對(duì)象的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。在類中定義Deconstruct函數(shù)后，可以利用tuple自動(dòng)提取相應(yīng)字段，輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)象到tuple（成員字段）的轉(zhuǎn)換。但即使類實(shí)現(xiàn)了Construct函數(shù)，C#卻沒(méi)有提供tuple（成員字段）到對(duì)象的自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能：

Point p = Point.Construct（（3.14， 6.28））；//right

// Cannot implicitly convert type '（double， double）' to 'Program.Point'

// Point p = （3.14， 6.28）；//error

建議：增加Construct支持Deconstruction。

從語(yǔ)法設(shè)計(jì)的角度，增加對(duì)Construct的支持，由編譯器進(jìn)行類型檢查，并自動(dòng)調(diào)用Construct函數(shù)實(shí)現(xiàn)從元組到對(duì)象的自動(dòng)轉(zhuǎn)換：

Var tuple = （3.14， 6.28）；

ClassName p = tuple； //設(shè)計(jì)建議，由編譯器自動(dòng)調(diào)用對(duì)應(yīng)類的ClassName.Construct

ClassName p = ClassName.Construct（tuple）；//right

2.2 tuple與Deconstruction賦值的非傳遞性

當(dāng)賦值操作符右邊為元組字面常量（tuple literal）時(shí)，左邊可以命名元組變量（named tuple），或者拆封（unpack）元組成員。但當(dāng)賦值操作符右邊為對(duì)象時(shí)，左邊只能為拆封元組成員形式，不能為元組變量：

/* 1 */ （double X， double Y） tuple = （3.14， 6.28）； // tuple literal， right

/* 2 */ （double X， double Y） = （3.14， 6.28）； // tuple literal， right

/* 3 */ var p = new Point（3.14， 6.28）； //class object

/* 4 */ （double X， double Y） = p； // class object， right

//Cannot implicitly convert type 'Program.Point' to '（double x， double y）

/* 5 */ （double X， double Y） tuple = p； // error

建議：當(dāng)賦值操作符右邊為對(duì)象實(shí)例時(shí)，左邊支持命名數(shù)組。

2.3 元組可變類型

元組是值類型（ValueType），屬于可變類型（mutable）。在C#中，ValueType被認(rèn)為是可變類型。在并行計(jì)算、多線程計(jì)算中，可變類型不是安全的類型。

建議：增加不可變?cè)M（immutable tuple）

對(duì)所有值類型增加關(guān)鍵字immutable，以適用并行計(jì)算和多線程計(jì)算：

immutable var （X， Y） tuple = （3.14， 6.28）；

3 結(jié)語(yǔ)

利用tuple打包（pack）數(shù)據(jù)，可以獲得類似Python、MatLab和ENVI IDL（Interactive Data Language）等動(dòng)態(tài)語(yǔ)言效果。但目前C#元組存在一些小的設(shè)計(jì)缺陷，通過(guò)修改C#開(kāi)源編譯器Roslyn[10]，可以設(shè)計(jì)新特性。加上C#的動(dòng)態(tài)特性（dynamic）、并行計(jì)算（parallel）、異步計(jì)算（async）、函數(shù)式編程（functional）和跨平臺(tái)（.NET Core）等新特性，使這一通用語(yǔ)言在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、甚至在數(shù)值計(jì)算密集型領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 王舜.基于C#的C/S和B/S職場(chǎng)發(fā)展分析[J].計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用，2014（2）：135-136.

[5] 謝小魁，陳青海，周清，等.基于C#.NET和開(kāi)放數(shù)據(jù)的大比例尺高精度數(shù)字高程模型提取研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2016（9）：13-15.

[6] 謝小魁，方武生，田良輝，等.基于EXCEL VSTO的測(cè)量導(dǎo)線計(jì)算教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].礦山測(cè)量，2016（4）：95-122.

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[8] MICROSOFT. C# tuple types[EB/OL]. https：//docs.microsoft.com/en-us/dotnet/articles/csharp/tuples.

[9] PYTHON SOFTWARE FOUNDATION. Defining functions[EB/OL]. https：//docs.python.org/3/tutorial/controlflow.html#defining-functions.

[10] MICROSOFT. .NET compiler platform （"Roslyn"）[EB/OL]. https：//github.com/dotnet/Roslyn.

（責(zé)任編輯：杜能鋼）endprint