C#3.0新增功能08 Lambda 表达式

张传宁IT讲堂

发布于 2019-09-17 17:46:45

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发布于 2019-09-17 17:46:45

Lambda 表达式是作为对象处理的代码块（表达式或语句块）。它可作为参数传递给方法，也可通过方法调用返回。 Lambda 表达式广泛用于：

将要执行的代码传递给异步方法，例如 Task.Run(Action)。
编写 LINQ 查询表达式。
创建表达式树。

Lambda 表达式是可以表示为委托的代码，或者表示为表达式树的代码，它所表示的表达式树可以编译为委托。 Lambda 表达式的特定委托类型取决于其参数和返回值。不返回值的 Lambda 表达式对应于 Action 委托，具体取决于其参数数量。返回值的 Lambda 表达式对应于 Func 委托，具体取决于其参数数量。例如，有 2 个参数但不返回值的 Lambda 表达式对应于 Action<T1,T2> 委托。有 1 个参数并返回值的 Lambda 表达式对应于 Func<T,TResult> 委托。

Lambda 表达式使用 lambda 声明运算符 => 从其可执行代码中分离 lambda 参数列表。若要创建 Lambda 表达式，需要在 lambda 运算符左侧指定输入参数（如果有），然后在另一侧输入表达式或语句块。例如，单行 Lambda 表达式 x => x * x 指定名为 x 的参数并返回 x 的平方值。如下面的示例所示，你可以将此表达式分配给委托类型：

Func<int, int> square = x => x * x;
Console.WriteLine(square(5));
// 输出:
// 25

还可以将 lambda 表达式分配给表达式树类型：

System.Linq.Expressions.Expression<Func<int, int>> e = x => x * x;
Console.WriteLine(e);
// 输出:
// x => (x * x)

或者，可以将其直接作为方法参数传递：

int[] numbers = { 2, 3, 4, 5 };
var squaredNumbers = numbers.Select(x => x * x);
Console.WriteLine(string.Join(" ", squaredNumbers));
// 输出:
// 4 9 16 25

如果使用基于方法的语法在 System.Linq.Enumerable 类中调用 Enumerable.Select 方法（就像在 LINQ to Objects 和 LINQ to XML 中一样），参数是委托类型 System.Func<T,TResult>。使用 Lambda 表达式创建该委托最为方便。如果在 System.Linq.Queryable 类中调用 Queryable.Select 方法（就像在 LINQ to SQL 中一样），参数类型是表达式树类型 Expression<Func<TSource,TResult>>。同样，Lambda 表达式只是一种非常简洁的构造该表达式目录树的方式。尽管事实上通过 Lambda 创建的对象具有不同的类型，但 Lambda 使得 Select 调用看起来类似。

所有适用于匿名方法的限制也都适用于 lambda 表达式。

表达式 lambda

表达式位于 => 运算符右侧的 lambda 表达式称为“表达式 lambda”。表达式 lambda 广泛用于表达式树的构造。表达式 lambda 会返回表达式的结果，并采用以下基本形式：

(input-parameters) => expression

仅当 lambda 只有一个输入参数时，括号才是可选的；否则括号是必需的。

使用空括号指定零个输入参数：

Action line = () => Console.WriteLine();

括号内的两个或更多输入参数使用逗号加以分隔：

Func<int, int, bool> testForEquality = (x, y) => x == y;

有时，编译器无法推断输入类型。可以显式指定类型，如下面的示例所示：

Func<int, string, bool> isTooLong = (int x, string s) => s.Length > x;

输入参数类型必须全部为显式或全部为隐式；否则，便会生成 CS0748 编译器错误。

表达式 lambda 的主体可以包含方法调用。不过，若要创建在 .NET 公共语言运行时的上下文之外（如在 SQL Server 中）计算的表达式树，不得在 lambda 表达式中使用方法调用。在 .NET 公共语言运行时上下文之外，方法将没有任何意义。

语句 lambda

语句 lambda 与表达式 lambda 表达式类似，只是语句括在大括号中：

(input-parameters) => { statement; }

语句 lambda 的主体可以包含任意数量的语句；但是，实际上通常不会多于两个或三个。

Action<string> greet = name => 
{ 
    string greeting = $"Hello {name}!";
    Console.WriteLine(greeting);
};
greet("World");
// 输出:
// Hello World!

像匿名方法一样，语句 lambda 也不能用于创建表达式目录树。

异步 lambda

通过使用 async 和 await 关键字，你可以轻松创建包含异步处理的 lambda 表达式和语句。例如，下面的 Windows 窗体示例包含一个调用和等待异步方法 ExampleMethodAsync的事件处理程序。

public partial class Form1 : Form
{
    public Form1()
    {
        InitializeComponent();
        button1.Click += button1_Click;
    }

    private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        await ExampleMethodAsync();
        textBox1.Text += "\r\nControl returned to Click event handler.\n";
    }

    private async Task ExampleMethodAsync()
    {
        // 模拟返回异步进程的任务
        await Task.Delay(1000);
    }
}

你可以使用异步 lambda 添加同一事件处理程序。若要添加此处理程序，请在 lambda 参数列表前添加 async 修饰符，如下面的示例所示：

public partial class Form1 : Form
{
    public Form1()
    {
        InitializeComponent();
        button1.Click += async (sender, e) =>
        {
            await ExampleMethodAsync();
            textBox1.Text += "\r\nControl returned to Click event handler.\n";
        };
    }

    private async Task ExampleMethodAsync()
    {
        // 模拟返回异步进程的任务
        await Task.Delay(1000);
    }
}

有关如何创建和使用异步方法的详细信息，请参阅使用 Async 和 Await 的异步编程。

lambda 表达式和元组

自 C# 7.0 起，C# 语言提供对元组的内置支持。可以提供一个元组作为 Lambda 表达式的参数，同时 Lambda 表达式也可以返回元组。在某些情况下，C# 编译器使用类型推理来确定元组组件的类型。

Func<(int, int, int), (int, int, int)> doubleThem = ns => (2 * ns.Item1, 2 * ns.Item2, 2 * ns.Item3);
var numbers = (2, 3, 4);
var doubledNumbers = doubleThem(numbers);
Console.WriteLine($"The set {numbers} doubled: {doubledNumbers}");
// 输出:
// The set (2, 3, 4) doubled: (4, 6, 8)

可通过用括号括住用逗号分隔的组件列表来定义元组。下面的示例使用包含三个组件的元组，将一系列数字传递给 lambda 表达式，此表达式将每个值翻倍，然后返回包含乘法运算结果的元组（内含三个组件）。

通常，元组字段命名为 Item1、Item2 等等。但是，可以使用命名组件定义元组，如以下示例所示。

Func<(int n1, int n2, int n3), (int, int, int)> doubleThem = ns => (2 * ns.n1, 2 * ns.n2, 2 * ns.n3);
var numbers = (2, 3, 4);
var doubledNumbers = doubleThem(numbers);
Console.WriteLine($"The set {numbers} doubled: {doubledNumbers}");

若要详细了解 C# 元组，请参阅 C# 元组类型。

含标准查询运算符的 lambda

在其他实现中，LINQ to Objects 有一个输入参数，其类型是泛型委托 Func<TResult> 系列中的一种。这些委托使用类型参数来定义输入参数的数量和类型，以及委托的返回类型。Func 委托对于封装用户定义的表达式非常有用，这些表达式将应用于一组源数据中的每个元素。例如，假设为 Func<T,TResult> 委托类型：

public delegate TResult Func<in T, out TResult>(T arg)

可以将委托实例化为 Func<int, bool> 实例，其中 int 是输入参数，bool 是返回值。返回值始终在最后一个类型参数中指定。例如，Func<int, string, bool> 定义包含两个输入参数（int 和 string）且返回类型为 bool的委托。下面的 Func 委托在调用后返回布尔值，以指明输入参数是否等于 5：

Func<int, bool> equalsFive = x => x == 5;
bool result = equalsFive(4);
Console.WriteLine(result);   // False

参数类型为 Expression<TDelegate> 时，也可以提供 Lambda 表达式，例如在 Queryable类型内定义的标准查询运算符中提供。指定 Expression<TDelegate> 参数时，lambda 编译为表达式树。

下面的示例使用 Count 标准查询运算符：

int[] numbers = { 5, 4, 1, 3, 9, 8, 6, 7, 2, 0 };
int oddNumbers = numbers.Count(n => n % 2 == 1);
Console.WriteLine($"There are {oddNumbers} odd numbers in {string.Join(" ", numbers)}");

编译器可以推断输入参数的类型，或者你也可以显式指定该类型。这个特殊 lambda 表达式将计算那些除以 2 时余数为 1 的整数的数量 (n)。

下面的示例生成一个序列，其中包含 numbers 数组中位于 9 之前的所有元素，因为这是序列中第一个不符合条件的数字：

int[] numbers = { 5, 4, 1, 3, 9, 8, 6, 7, 2, 0 };
var firstNumbersLessThanSix = numbers.TakeWhile(n => n < 6);
Console.WriteLine(string.Join(" ", firstNumbersLessThanSix));
// 输出:
// 5 4 1 3

以下示例通过将输入参数括在括号中来指定多个输入参数。此方法返回 numbers 数组中的所有元素，直至遇到值小于其在数组中的序号位置的数字为止：

int[] numbers = { 5, 4, 1, 3, 9, 8, 6, 7, 2, 0 };
var firstSmallNumbers = numbers.TakeWhile((n, index) => n >= index);
Console.WriteLine(string.Join(" ", firstSmallNumbers));
// 输出:
// 5 4

Lambda 表达式中的类型推理

编写 lambda 时，通常不必为输入参数指定类型，因为编译器可以根据 lambda 主体、参数类型以及 C# 语言规范中描述的其他因素来推断类型。对于大多数标准查询运算符，第一个输入是源序列中的元素类型。如果要查询 IEnumerable<Customer>，则输入变量将被推断为 Customer 对象，这意味着你可以访问其方法和属性：

customers.Where(c => c.City == "London");

lambda 类型推理的一般规则如下：

Lambda 包含的参数数量必须与委托类型包含的参数数量相同。
Lambda 中的每个输入参数必须都能够隐式转换为其对应的委托参数。
Lambda 的返回值（如果有）必须能够隐式转换为委托的返回类型。

请注意，lambda 表达式本身没有类型，因为通用类型系统没有“lambda 表达式”这一固有概念。不过，有时以一种非正式的方式谈论 lambda 表达式的“类型”会很方便。在这些情况下，类型是指委托类型或 lambda 表达式所转换到的 Expression 类型。

lambda 表达式中的变量范围

在定义 lambda 表达式的方法内或包含 lambda 表达式的类型内，lambda 可以引用范围内的外部变量（请参阅匿名方法）。以这种方式捕获的变量将进行存储以备在 lambda 表达式中使用，即使在其他情况下，这些变量将超出范围并进行垃圾回收。必须明确地分配外部变量，然后才能在 lambda 表达式中使用该变量。下面的示例演示这些规则：

public static class VariableScopeWithLambdas
{
    public class VariableCaptureGame
    {
        internal Action<int> updateCapturedLocalVariable;
        internal Func<int, bool> isEqualToCapturedLocalVariable;

        public void Run(int input)
        {
            int j = 0;

            updateCapturedLocalVariable = x =>
            {
                j = x;
                bool result = j > input;
                Console.WriteLine($"{j} is greater than {input}: {result}");
            };

            isEqualToCapturedLocalVariable = x => x == j;

            Console.WriteLine($"Local variable before lambda invocation: {j}");
            updateCapturedLocalVariable(10);
            Console.WriteLine($"Local variable after lambda invocation: {j}");
        }
    }

    public static void Main()
    {  
        var game = new VariableCaptureGame();
        
        int gameInput = 5;
        game.Run(gameInput);

        int jTry = 10;
        bool result = game.isEqualToCapturedLocalVariable(jTry);
        Console.WriteLine($"Captured local variable is equal to {jTry}: {result}");

        int anotherJ = 3;
        game.updateCapturedLocalVariable(anotherJ);

        bool equalToAnother = game.isEqualToCapturedLocalVariable(anotherJ);
        Console.WriteLine($"Another lambda observes a new value of captured variable: {equalToAnother}");
    }
    // 输出:
    // Local variable before lambda invocation: 0
    // 10 is greater than 5: True
    // Local variable after lambda invocation: 10
    // Captured local variable is equal to 10: True
    // 3 is greater than 5: False
    // Another lambda observes a new value of captured variable: True
}

下列规则适用于 lambda 表达式中的变量范围：

捕获的变量将不会被作为垃圾回收，直至引用变量的委托符合垃圾回收的条件。
在封闭方法中看不到 lambda 表达式内引入的变量。
lambda 表达式无法从封闭方法中直接捕获 in、ref 或 out 参数。
lambda 表达式中的 return 语句不会导致封闭方法返回。
如果相应跳转语句的目标位于 lambda 表达式块之外，lambda 表达式不得包含 goto、break 或 continue 语句。同样，如果目标在块内部，在 lambda 表达式块外部使用跳转语句也是错误的。