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C＃ LINQ源码分析之Count

2022-07-05 08:39:00 【懒人Ethan】

概要

LINQ代码库中的Count方法作为数据统计的关键方法，经常被使用。在统计数据时候，Count方法是否每次都要遍历整个序列来获取序列元素个数，Count方法内容是否存在优化机制。为了更好的了解该方法的工作原理，我们从源码的角度对其进行分析。

本文的内容是以C# LINQ源码分析之Select和
C# LINQ源码分析之Where为基础，对Count方法的源码进行分析。

Count方法介绍

Count方法的基本功能是获取序列中元素个数。LINQ代码库提供了2个Count的重载方法如下：

方法名称基本介绍
Count(IEnumerable)获取序列中元素的个数
Count(IEnumerable, Func<TSource,Boolean>)返回序列中满足条件的元素个数

Count关键源码分析

Count方法是 IEnumerable的一个扩展方法，支持一个TSource泛型参数。

 public static int Count<TSource>(this IEnumerable<TSource> source)
        {
    
            if (source == null)
            {
    
                ThrowHelper.ThrowArgumentNullException(ExceptionArgument.source);
            }

            if (source is ICollection<TSource> collectionoft)
            {
    
                return collectionoft.Count;
            }

            if (source is IIListProvider<TSource> listProv)
            {
    
                return listProv.GetCount(onlyIfCheap: false);
            }

            if (source is ICollection collection)
            {
    
                return collection.Count;
            }

            int count = 0;
            using (IEnumerator<TSource> e = source.GetEnumerator())
            {
    
                checked
                {
    
                    while (e.MoveNext())
                    {
    
                        count++;
                    }
                }
            }

            return count;
        }
  1. 如果序列为空，抛出异常；
  2. 如果序列是实现ICollection接口的实例，例如List的实例，直接返回实例中的Count属性；
  3. 如果序列是I实现IListProvider接口的实例，调用该接口的GetCount方法，参数默认传入false，IListProvider接口在下文介绍；
  4. 如果序列是实现ICollection接口的实例，例如List的实例，直接返回实例中的Count属性；
  5. 如果source是一个迭代器，并且该迭代器没有实现IListProvider，调用该迭代器，则完成迭代，并统计元素个数。

Count的另一个重载方法代码与之类似，不再赘述。

Count方法的工作方式

为了检验Count方法的工作原理，本文对Count方法和其关联的内容进行了代码抽取，定义了Count2方法，以增加各种log，具体代码件附录。

实现ICollection接口的对象调用Count方法

Student类详见附录。

List<Student> studentList = new List<Student>()
{
     
     new Student("x001", "Tom", "CN-1" , 90),
     new Student("x002", "Jack", "CN-1", 88),
     new Student("x003", "Mary", "CN-2", 87),
     new Student("x004", "Frank", "CN-2", 97),
 };
 var count = studentList.Count2();
 System.Console.WriteLine(count);

执行结果如下：
在这里插入图片描述
从结果我们可以看出，获取List对象内的元素个数，并不需要遍历整个List，只是返回ICollection接口的Count属性值。

实现IListProvider接口的对象调用Count方法

对于一个List泛型序列xx，如果存在xx.Where().Count()的调用，我们希望过滤和计算元素个数两个操作在一次遍历中完成，不希望通过两次遍历实现。

要实现上述目标的关键就是IListProvider接口，它主要是定义了ToList，ToArray和GetCount三个方法的规范，本文主要讨论GetCount方法。

之前的文章我们讨论过，LINQ的主要实现基础就是在扩展方法内部，使用各种迭代器来实现具体的操作，例如Where方法的WhereListIterator迭代器，可以实现List元素的过滤操作。

IListProvider就是让各种迭代器去实现它接口中的GetCount方法，从而将GetCount操作附加到各种迭代操作中。

关键代码如下，其中ToList和ToArray不再本文讨论范围内，已经略去。

  private sealed partial class WhereListIterator<TSource> : Iterator<TSource>, IIListProvider<TSource>
        {
    
            public int GetCount(bool onlyIfCheap)
            {
    
                if (onlyIfCheap)
                {
    
                    return -1;
                }

                int count = 0;

                for (int i = 0; i < _source.Count; i++)
                {
    
                    TSource item = _source[i];
                    if (_predicate(item))
                    {
    
                        checked
                        {
    
                            count++;
                        }
                    }
                }

                return count;
            }
        }

我们可以看到，密封类WhereListIterator实现了IIListProvider中的GetCount，在该方法中将过滤和统计个数两个操作合二为一。

List泛型序列xx.Where().Count()的实现原理

List<Student> studentList = new List<Student>()
{
     
     new Student("x001", "Tom", "CN-1" , 90),
     new Student("x002", "Jack", "CN-1", 88),
     new Student("x003", "Mary", "CN-2", 87),
     new Student("x004", "Frank", "CN-2", 97),
 };
 var count = studentList
                .Where2(s=>s.MathResult >= 90)
                .Count2();
 System.Console.WriteLine(count);
  1. 进入Where2扩展方法，返回WhereListIterator迭代器对象。
  2. 进入Count2扩展方法，WhereListIterator已经实现了IIListProvider方法。
  3. 调用WhereListIterator对象的GetCount方法，onlyIfCheap参数为false。
  4. 完成过滤和统计操作。

执行结果如下，符合预期：
在这里插入图片描述

List泛型序列xx.Select().Count()的实现原理

List<Student> studentList = new List<Student>()
{
     
     new Student("x001", "Tom", "CN-1" , 90),
     new Student("x002", "Jack", "CN-1", 88),
     new Student("x003", "Mary", "CN-2", 87),
     new Student("x004", "Frank", "CN-2", 97),
 };
 var count = studentList
     .Select2(s => new {
    Name= s.Name, Math = s.MathResult})
     .Count2();
 System.Console.WriteLine(count);
  1. 进入Select2扩展方法，返回SelectListIterator对象
  2. 进入Count2扩展方法，SelectListIterator已经实现了IIListProvider方法。
  3. 调用SelectListIterator对象的GetCount方法，onlyIfCheap参数为false。
  4. 完成投影和统计操作，SelectListIterator类相关源码如下：
private sealed partial class SelectListIterator<TSource, TResult> : IPartition<TResult>
        {
    
            public int GetCount(bool onlyIfCheap)
            {
    
                // In case someone uses Count() to force evaluation of
                // the selector, run it provided `onlyIfCheap` is false.

                int count = _source.Count;

                if (!onlyIfCheap)
                {
    
                    for (int i = 0; i < count; i++)
                    {
    
                        _selector(_source[i]);
                    }
                }

                return count;
            }
        }

List泛型序列xx.Where().Select().Count()的实现原理

在之前文章的讨论中，我们已经了解到，xx.Where().Select()中的过滤和投影操作会被合并成，通过WhereSelectListIterator迭代器，在遍历List泛型序列时，将满足Where条件的元素进行投影，一次遍历实现。

同样WhereSelectListIterator也实现了IIListProvider泛型接口，代码如下，其中ToList和ToArray不再本文讨论范围内，已经略去。

private sealed partial class WhereSelectListIterator<TSource, TResult> : IIListProvider<TResult>
        {
    
            public int GetCount(bool onlyIfCheap)
            {
    
                // In case someone uses Count() to force evaluation of
                // the selector, run it provided `onlyIfCheap` is false.

                if (onlyIfCheap)
                {
    
                    return -1;
                }

                int count = 0;

                for (int i = 0; i < _source.Count; i++)
                {
    
                    TSource item = _source[i];
                    if (_predicate(item))
                    {
    
                        _selector(item);
                        checked
                        {
    
                            count++;
                        }
                    }
                }

                return count;
            }
        }

从代码中不难看出，GetCount方法将过滤，投影和统计元素，在一次遍历中实现。

所以，下面代码的实现逻辑就很清晰了，具体如下：

List<Student> studentList = new List<Student>()
{
     
     new Student("x001", "Tom", "CN-1" , 90),
     new Student("x002", "Jack", "CN-1", 88),
     new Student("x003", "Mary", "CN-2", 87),
     new Student("x004", "Frank", "CN-2", 97),
 };
  var count = studentList
     .Where2(s=>s.MathResult >= 90)
      .Select2(s => new {
    Name= s.Name, Math = s.MathResult})
      .Count2();
  System.Console.WriteLine(count);
  1. 进入扩展方法Where2，返回WhereListIterator迭代器实例。
  2. 进入扩展方法Select2，WhereListIterator是一个迭代器实例，调用该实例自己的Select方法，返回WhereSelectListIterator实例。
  3. 进入扩展方法Count2，WhereSelectListIterator实现了 IIListProvider接口，所以调用实例自己的GetCount方法，将过滤，投影和统计元素，在一次遍历中实现。

执行结果符合预期：

在这里插入图片描述

结论

Count方法在处理List，Array等集合数据类型时候，会直接返回它们实现ICollection接口中的Count属性值；在和其他扩展方法Where, Select等配合使用时候，会把统计操作和其他扩展方法的操作，进行合并，避免出现多次遍历同一个序列的情况。

附录

Count2方法：

public static int Count2<TSource>(this IEnumerable<TSource> source)
        {
    
            Console.WriteLine("------------COUNT2-------------------");
            if (source == null)
            {
    
                ThrowHelper.ThrowArgumentNullException(ExceptionArgument.source);
            }

            if (source is ICollection<TSource> collectionoft)
            {
    
                Console.WriteLine("source is ICollection<TSource> collectionoft");
                return collectionoft.Count;
            }

            if (source is IIListProvider<TSource> listProv)
            {
    
                Console.WriteLine("source is IIListProvider<TSource> listProv");
                return listProv.GetCount(onlyIfCheap: false);
            }

            if (source is ICollection collection)
            {
    
                Console.WriteLine("source is ICollection collection");
                return collection.Count;
            }
            Console.WriteLine("source is Iterator");
            int count = 0;
            using (IEnumerator<TSource> e = source.GetEnumerator())
            {
    
                checked
                {
    
                    while (e.MoveNext())
                    {
    
                        count++;
                    }
                }
            }

            return count;
        }

Student类

public class Student {
    
    public string Id {
     get; set; }
    public string Name {
     get; set; }
    public string Classroom {
     get; set; }
    public int MathResult {
     get; set; }    
}
原网站

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