使用C# 7元組語言特性優化數據驅動軟件研究

摘 要：C#作為一種現代編程語言，廣泛應用于通用業務系統開發。由于早期的C#語法限制，在數據密集型領域使用MatLab、Python、IDL（Interactive Data Language）等動態腳本語言更為合適。C# 7新增了簡單靈活的輕量級元組類型。分析了元組的幾個典型應用場景，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、封裝函數返回的多變量、作為中間層的數據容器、用于LINQ select表達式獲得語義信息，以及利用析構（deconstructing）實現對象到元組的自動轉換等。實踐表明，元組適合數據驅動領域開發，提高了生產效率，達到了動態語言效果。對C# 7 tuple存在的缺陷，如deconstructing的非對稱性、賦值的非傳遞性和可變性（mutable）等提出了改進意見，為利用開源編譯器Roslyn優化C#特性提供了設計思路。

關鍵詞：元組；動態腳本；語言設計；編譯器Roslyn

DOI：10.11907/rjdk.171599

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A 文章編號：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對象編程語言，提供了豐富的類型系統，使得編譯器可進行強類型語法檢查，能較好保證代碼的安全性，在用戶界面、數據庫、網絡、多媒體和地理信息系統等通用軟件開發領域有著廣泛應用。但由于語法限制，過去在數據驅動和交互腳本領域，僅僅是提取數據，開發者需要編寫大量額外的類或結構體，掩蓋了開發者的設計意圖，降低了開發效率；同時C#的類實例（class instance）是引用類型（reference），會帶來較大性能損失。

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類型檢查，在Visual Studio 2017中可以使用。元組是一種比類和結構體更簡單靈活的輕量級（lightweight）值類型（ValueType），完全不同于以前.NET平臺的Tuple泛型API（Application Programming Interface）。為此，本文探討該元組特性在數據驅動領域的開發及應用。

1 應用場景和示例

1.1 多變量同時初始化

若不利用元組語言特性，兩個變量初始化一般做法為：

string name = "XiangRikui"；

int age = 10；

利用元組語言特性，兩個變量初始化可寫成下面的第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 多變量同時賦值

int age；

string name；

（name， age） = （"XiangRikui"， 1）；

利用元組的多變量同時初始化和同時賦值功能，計算斐波那契數列，可達到同動態語言Python相同的精簡[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

對于兩個相同類型（例如字符串）的變量a和b，要交換值，傳統的做法是引入第3個臨時變量，而且要考慮臨時變量的數據類型。

string temp = a；

a = b；

b = t；

利用元組，不用引入臨時變量，可直接互換，這在數據排序里非常有用。利用這一特性，可同時交換任意數量的變量值。

（a， b） = （b， a）；

1.4 封裝函數返回的多個變量

在動態腳本語言如MatLab、Python和ENVI IDL（Interactive Data Language）中，都支持函數返回多個變量。但過去在C#中，一般需要編寫新的類或結構體，而類或結構體意味著對數據操作，這掩蓋了開發者意圖，同時也帶來了性能損失。利用元組，可以封裝（pack）函數返回的多個變量。

例如，利用全站儀測量的水平距離和方位角，不用編寫新的Point類型就可直接利用元組返回函數計算坐標增量（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 作為中間層的數據容器

元組可存儲來自文本文件、Excel、XMl和數據庫中的數據，代替重量級的DataTable或自定義類型。

例如，激光掃描儀測量的彩色激光點云，同時具有三維坐標和顏色信息，利用元組返回測量值可表示如下：

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

1.6 獲得語義信息

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

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

from item in AllItems

select （item.ID， item.Title）；

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

1.7 實現對象到元組的自動轉換

在類中定義Deconstruct函數，把組成該類型的字段用out參數表示：

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（Deconstruction）功能，編譯器可拆封用戶自定義類型字段，提取字段到相應的元組成員，實現對象到tuple（字段）的自動轉換，tuple字段與Construct函數中的out變量一一對應：endprint

var p = new Point（3.14， 6.28）；

（double X， double Y） = p；

2 C# 7 tuple存在的缺陷及設計建議

2.1 Deconstruction設計的非對稱性

C# 7支持對象到元組（字段）的自動轉換，但不支持tuple到對象的自動轉換。在類中定義Deconstruct函數后，可以利用tuple自動提取相應字段，輕松實現對象到tuple（成員字段）的轉換。但即使類實現了Construct函數，C#卻沒有提供tuple（成員字段）到對象的自動轉換功能：

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。

從語法設計的角度，增加對Construct的支持，由編譯器進行類型檢查，并自動調用Construct函數實現從元組到對象的自動轉換：

Var tuple = （3.14， 6.28）；

ClassName p = tuple； //設計建議，由編譯器自動調用對應類的ClassName.Construct

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

2.2 tuple與Deconstruction賦值的非傳遞性

當賦值操作符右邊為元組字面常量（tuple literal）時，左邊可以命名元組變量（named tuple），或者拆封（unpack）元組成員。但當賦值操作符右邊為對象時，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：當賦值操作符右邊為對象實例時，左邊支持命名數組。

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被認為是可變類型。在并行計算、多線程計算中，可變類型不是安全的類型。

建議：增加不可變元組（immutable tuple）

對所有值類型增加關鍵字immutable，以適用并行計算和多線程計算：

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

3 結語

利用tuple打包（pack）數據，可以獲得類似Python、MatLab和ENVI IDL（Interactive Data Language）等動態語言效果。但目前C#元組存在一些小的設計缺陷，通過修改C#開源編譯器Roslyn[10]，可以設計新特性。加上C#的動態特性（dynamic）、并行計算（parallel）、異步計算（async）、函數式編程（functional）和跨平臺（.NET Core）等新特性，使這一通用語言在數據驅動、甚至在數值計算密集型領域得到更廣泛的應用。

參考文獻：

[1] 沈宮新.基于C#的Windows窗體端口掃描程序分析[J].軟件導刊，2017（1）：38-40.

[2] 嚴真卿，楊增汪.基于C#的即時通訊工具開發[J].電子技術與軟件工程，2014（14）：95-138.

[3] 周虎.基于C#的Excel數據批量導入SqlServer的方法研究與實現[J].軟件工程師，2014（12）：54-56.

[4] 王舜.基于C#的C/S和B/S職場發展分析[J].計算機光盤軟件與應用，2014（2）：135-136.

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

[6] 謝小魁，方武生，田良輝，等.基于EXCEL VSTO的測量導線計算教學系統設計[J].礦山測量，2016（4）：95-122.

[7] MICROSOFT. What's new in C# 7[EB/OL]. https：//docs.microsoft.com/en-us/dotnet/articles/csharp/whats-new/csharp-7.

[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.

（責任編輯：杜能鋼）endprint