C# LINQ 深度解析:优缺点与性能陷阱

一、LINQ 核心概念

1.1 LINQ 是什么

Language Integrated Query(语言集成查询),允许在C#中以声明式方式查询数据,支持多种数据源:

  • LINQ to Objects(内存集合)

  • LINQ to SQL / Entity Framework(数据库)

  • LINQ to XML(XML文档)

  • LINQ to JSON(JSON数据)

1.2 两种语法形式

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// 查询表达式语法(SQL风格)
var result = from p in products
             where p.Price > 100
             select p.Name;

// 方法链语法(Lambda表达式)
var result = products
    .Where(p => p.Price > 100)
    .Select(p => p.Name);

二、LINQ 的优点

2.1 可读性与表达力

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// 传统方式
List<string> names = new List<string>();
foreach (var product in products)
{
    if (product.Price > 100)
        names.Add(product.Name);
}

// LINQ方式 - 更简洁、声明式
var names = products
    .Where(p => p.Price > 100)
    .Select(p => p.Name)
    .ToList();

2.2 类型安全与编译时检查

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// 编译时类型检查
var prices = products.Select(p => p.Price); // 编译器知道Price的类型

// 智能提示和重构支持
products.Where(p => p.Category == "Electronics") // 自动补全属性名

2.3 统一的查询模型

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// 相同的语法查询不同数据源
var dbProducts = dbContext.Products.Where(p => p.Price > 100);
var xmlProducts = xmlDoc.Descendants("Product")
                      .Where(x => (decimal)x.Attribute("Price") > 100);
var objectProducts = productsList.Where(p => p.Price > 100);

2.4 延迟执行(Lazy Evaluation)

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var query = products.Where(p => p.Price > 100); // 查询未执行

// 只有在迭代时才会执行
foreach (var product in query) // 此时执行查询
{
    Console.WriteLine(product.Name);
}

2.5 可组合性

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// 逐步构建复杂查询
IQueryable<Product> baseQuery = dbContext.Products;

if (categoryFilter != null)
    baseQuery = baseQuery.Where(p => p.Category == categoryFilter);

if (priceFilter != null)
    baseQuery = baseQuery.Where(p => p.Price > priceFilter.Min && 
                                     p.Price < priceFilter.Max);

var finalResult = baseQuery.OrderBy(p => p.Name).Take(10);

三、LINQ 的缺点

3.1 性能开销

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// LINQ 引入的额外开销
var result = list
    .Where(x => x.IsActive)    // 迭代器 + 委托调用
    .Select(x => x.Value * 2)  // 更多迭代器和委托
    .ToList();                 // 内存分配

3.2 调试困难

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// 调试时无法看到中间结果
var result = data
    .Where(x => x.Status == 1)         // 断点在这里看不到具体过滤了哪些
    .GroupBy(x => x.Category)         // 调试复杂的分组操作更困难
    .Select(g => new { 
        Category = g.Key, 
        Count = g.Count() 
    });

3.3 可能产生低效查询(特别是数据库)

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// 可能导致 N+1 查询问题
var orders = dbContext.Orders.Take(10);
foreach (var order in orders)
{
    // 每次循环都会查询数据库!
    var customer = dbContext.Customers
        .FirstOrDefault(c => c.Id == order.CustomerId);
}

3.4 内存分配问题

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// 每个LINQ操作都可能创建新对象
var result = numbers
    .Select(n => n * 2)           // 创建迭代器
    .Where(n => n > 10)           // 创建另一个迭代器
    .OrderBy(n => n)              // 创建排序缓冲区
    .ToList();                    // 创建列表

四、关键性能陷阱

4.1 延迟执行 vs 立即执行

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// 陷阱:多次迭代导致多次执行
var query = expensiveData.Where(x => ExpensiveFilter(x));
var count = query.Count();      // 执行一次
var list = query.ToList();      // 又执行一次!
var sum = query.Sum(x => x);    // 再执行一次!

// 解决方案:缓存结果
var cached = expensiveData
    .Where(x => ExpensiveFilter(x))
    .ToList();  // 立即执行并缓存

4.2 集合多次迭代

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// 错误:多次迭代同一 IEnumerable
IEnumerable<int> numbers = GetNumbers();
var sum = numbers.Sum();
var avg = numbers.Average();  // 重新迭代!

// 注意:某些数据源只能迭代一次(如数据库查询)
var dataStream = GetDataStream(); // 可能是数据库读取器
var first = dataStream.First();
var second = dataStream.First(); // 异常或错误结果!

4.3 LINQ to SQL/EF 的查询优化

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// 陷阱:客户端评估
var products = dbContext.Products
    .AsEnumerable()  // 切换到客户端评估
    .Where(p => p.Name.Contains("test")) // 在内存中过滤!
    .ToList();

// 正确:保持服务器端评估
var products = dbContext.Products
    .Where(p => p.Name.Contains("test")) // 转换为SQL
    .ToList();

// 陷阱:选择过多数据
var allData = dbContext.Products.ToList(); // 获取所有列和行
var filtered = allData.Where(p => p.Price > 100); // 在内存中过滤

// 正确:在数据库层面过滤
var filtered = dbContext.Products
    .Where(p => p.Price > 100)
    .Select(p => new { p.Id, p.Name })  // 只选择需要的列
    .ToList();

4.4 不必要的方法调用

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// 低效:多次调用 Count()
if (list.Count() > 0 && list.Count() < 10) // 调用两次 Count()

// 高效:使用 Any() 检查存在性
if (list.Any())  // 找到第一个就返回

// 低效:先获取所有再取第一个
var item = list.Where(x => x.IsActive).ToList().FirstOrDefault();

// 高效:直接取第一个
var item = list.FirstOrDefault(x => x.IsActive);

4.5 内存分配优化

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// 为大型集合使用更高效的方法
// 低效:创建中间列表
var result = hugeList
    .Where(x => x > 0)
    .Select(x => x * 2)
    .ToList();

// 考虑使用数组或 Span<T> 处理
var result = new List<int>();
foreach (var item in hugeList)
    if (item > 0)
        result.Add(item * 2);

五、最佳实践与优化技巧

5.1 查询优化策略

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// 1. 尽早过滤
var result = data
    .Where(x => x.IsActive)      // 先过滤,减少后续处理量
    .Select(x => Transform(x))   // 后转换
    .ToList();

// 2. 合理使用索引
var array = data.ToArray(); // 对于多次随机访问,数组更快
for (int i = 0; i < array.Length; i++)
{
    // 数组索引访问比 LINQ 的 ElementAt 快得多
}

// 3. 使用合适的集合类型
var lookup = data.ToLookup(x => x.Category); // 快速分组查找
var dict = data.ToDictionary(x => x.Id);     // 快速键值查找

5.2 数据库查询优化

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// 使用投影选择需要的字段
var result = dbContext.Orders
    .Where(o => o.Date >= startDate)
    .Select(o => new { 
        o.Id, 
        o.OrderNumber, 
        CustomerName = o.Customer.Name 
    })
    .ToList();

// 使用 Include 避免 N+1 问题
var orders = dbContext.Orders
    .Include(o => o.Customer)     // 一次性加载关联数据
    .Include(o => o.OrderItems)
    .Take(100)
    .ToList();

// 分页查询
var page = dbContext.Products
    .OrderBy(p => p.Id)
    .Skip((pageNumber - 1) * pageSize)
    .Take(pageSize)
    .ToList();

5.3 性能关键代码的替代方案

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// 对于性能敏感的循环,考虑传统方式
public List<string> GetNames(List<Product> products, decimal minPrice)
{
    // LINQ方式
    // return products.Where(p => p.Price > minPrice)
    //                .Select(p => p.Name)
    //                .ToList();
    
    // 传统方式(性能更高)
    var result = new List<string>(products.Count);
    for (int i = 0; i < products.Count; i++)
    {
        if (products[i].Price > minPrice)
            result.Add(products[i].Name);
    }
    return result;
}

5.4 使用 PLINQ 进行并行处理

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// 适合CPU密集型操作
var result = largeCollection
    .AsParallel()                    // 并行处理
    .Where(item => ExpensiveCheck(item))
    .WithDegreeOfParallelism(4)     // 控制并行度
    .WithCancellation(cancellationToken) // 支持取消
    .ToList();

// 注意:并行不总是更快,需要权衡
// 1. 小集合可能更慢(线程开销)
// 2. 需要线程安全的操作
// 3. 注意顺序是否重要(AsOrdered())

六、调试和诊断技巧

6.1 调试LINQ查询

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// 使用中间变量查看结果
var filtered = products.Where(p => p.Price > 100);
// 调试时查看 filtered 的内容

// 添加日志
var result = products
    .Select(p => {
        Debug.WriteLine($"Processing: {p.Name}");
        return p.Price * 2;
    })
    .ToList();

6.2 性能分析工具

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// 使用 Stopwatch 测量性能
var stopwatch = Stopwatch.StartNew();
var result = expensiveQuery.ToList();
stopwatch.Stop();
Console.WriteLine($"Query took: {stopwatch.ElapsedMilliseconds}ms");

// Entity Framework 查询日志
dbContext.Database.Log = message => Debug.WriteLine(message);

七、

选择使用LINQ的时机:

  • 推荐使用:业务逻辑、数据转换、快速原型、可读性要求高的代码

  • 谨慎使用:性能关键路径、超大规模数据处理、低延迟要求

  • 避免使用:嵌入式系统、实时系统、内存极度受限环境

黄金法则:

  1. 理解延迟执行:知道查询何时真正执行

  2. 避免重复执行:缓存需要多次使用的结果

  3. 保持IQueryable:数据库查询尽量在服务器端完成

  4. 选择合适的方法:Any() vs Count(),First() vs Single()

  5. 性能测试:测量而不是猜测性能影响

八、高级 LINQ 特性

8.1 表达式树与 IQueryable

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// 表达式树允许运行时查询分析
Expression<Func<Product, bool>> filter = p => p.Price > 100 && p.Category == "Electronics";

// 分析表达式树
var body = (BinaryExpression)filter.Body;
var left = (BinaryExpression)body.Left;
var right = (BinaryExpression)body.Right;

// 动态构建查询
var parameter = Expression.Parameter(typeof(Product), "p");
var priceProperty = Expression.Property(parameter, "Price");
var constant = Expression.Constant(100m);
var comparison = Expression.GreaterThan(priceProperty, constant);
var lambda = Expression.Lambda<Func<Product, bool>>(comparison, parameter);

// 使用动态构建的查询
var query = dbContext.Products.Where(lambda);

8.2 自定义 LINQ 提供程序

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// 创建自定义 LINQ 提供程序的基础
public class CustomQueryProvider : IQueryProvider
{
    public IQueryable CreateQuery(Expression expression)
    {
        return new CustomQuery<T>(this, expression);
    }
    
    public IQueryable<TElement> CreateQuery<TElement>(Expression expression)
    {
        return new CustomQuery<TElement>(this, expression);
    }
    
    public object Execute(Expression expression)
    {
        // 解析表达式树并执行查询
        return TranslateExpression(expression);
    }
    
    private object TranslateExpression(Expression expression)
    {
        // 自定义表达式树翻译逻辑
        var visitor = new CustomExpressionVisitor();
        return visitor.Visit(expression);
    }
}

8.3 复合键与高级分组

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// 使用匿名类型创建复合键
var salesByYearMonth = orders
    .GroupBy(o => new { o.OrderDate.Year, o.OrderDate.Month })
    .Select(g => new
    {
        g.Key.Year,
        g.Key.Month,
        Total = g.Sum(o => o.Amount),
        Count = g.Count()
    })
    .OrderBy(x => x.Year)
    .ThenBy(x => x.Month);

// 使用元组作为复合键(C# 7.0+)
var grouped = orders
    .GroupBy(o => (o.Region, o.Category))
    .Select(g => (g.Key.Region, g.Key.Category, Total: g.Sum(o => o.Amount)));

8.4 LINQ 与模式匹配(C# 8.0+)

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// 结合 switch 表达式
var categorized = products.Select(p => p switch
{
    { Price: > 1000, Category: "Electronics" } => "Premium Electronics",
    { Price: > 500, Weight: > 10 } => "Heavy Expensive Item",
    { InStock: false } => "Out of Stock",
    _ => "Regular Item"
});

// 使用属性模式
var expensiveElectronics = products
    .Where(p => p is { Category: "Electronics", Price: > 1000 });

九、内存管理与性能深度优化

9.1 LINQ 与 Span<T> 的集成

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// 使用 MemoryExtensions 中的 LINQ-like 方法(零分配)
ReadOnlySpan<int> numbers = stackalloc int[] { 1, 2, 3, 4, 5 };

// 使用 System.MemoryExtensions 的方法(性能更高)
var sum = 0;
foreach (var num in numbers)
{
    if (num > 2)
        sum += num;
}

// 手动优化循环(性能最优)
for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
{
    if (numbers[i] > 2)
        sum += numbers[i];
}

// 对比 LINQ(有分配)
var linqSum = numbers.ToArray().Where(n => n > 2).Sum();

9.2 结构体 LINQ 与零分配迭代器

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// 创建零分配迭代器
public struct FilterIterator<T>
{
    private readonly List<T> _source;
    private readonly Func<T, bool> _predicate;
    
    public FilterIterator(List<T> source, Func<T, bool> predicate)
    {
        _source = source;
        _predicate = predicate;
    }
    
    public Enumerator GetEnumerator() => new Enumerator(this);
    
    public struct Enumerator
    {
        private readonly FilterIterator<T> _iterator;
        private int _index;
        
        public Enumerator(FilterIterator<T> iterator)
        {
            _iterator = iterator;
            _index = -1;
        }
        
        public T Current => _iterator._source[_index];
        
        public bool MoveNext()
        {
            while (++_index < _iterator._source.Count)
            {
                if (_iterator._predicate(_iterator._source[_index]))
                    return true;
            }
            return false;
        }
    }
}

// 使用零分配迭代器
var iterator = new FilterIterator<int>(numbers, n => n > 2);
foreach (var num in iterator) // 无堆分配
{
    Console.WriteLine(num);
}

9.3 LINQ 与 ArrayPool 集成

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public static class PooledLINQ
{
    public static T[] WhereToArray<T>(this List<T> source, Func<T, bool> predicate)
    {
        var pool = ArrayPool<T>.Shared;
        var buffer = pool.Rent(source.Count);
        
        try
        {
            int count = 0;
            for (int i = 0; i < source.Count; i++)
            {
                if (predicate(source[i]))
                {
                    buffer[count++] = source[i];
                }
            }
            
            var result = new T[count];
            Array.Copy(buffer, result, count);
            return result;
        }
        finally
        {
            pool.Return(buffer);
        }
    }
}

// 使用
var filtered = largeList.WhereToArray(x => x.IsValid);

十、并行 LINQ (PLINQ) 高级用法

10.1 并行度控制与负载平衡

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var result = data.AsParallel()
    .WithDegreeOfParallelism(Environment.ProcessorCount) // 显式设置并行度
    .WithExecutionMode(ParallelExecutionMode.ForceParallelism) // 强制并行
    .WithMergeOptions(ParallelMergeOptions.NotBuffered) // 控制结果合并
    .Where(ExpensivePredicate)
    .Select(ExpensiveTransform)
    .ToList();

// 自定义分区器(针对大型数据集优化)
var partitioner = Partitioner.Create(data, loadBalance: true);
var parallelResult = partitioner.AsParallel()
    .Where(x => x > 0)
    .Select(x => x * 2)
    .ToList();

10.2 PLINQ 中的异常处理

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try
{
    var result = data.AsParallel()
        .WithDegreeOfParallelism(4)
        .Select(item =>
        {
            try
            {
                return ProcessItem(item);
            }
            catch (Exception ex)
            {
                // 记录并继续处理其他项
                LogError(item, ex);
                return default;
            }
        })
        .Where(x => x != null)
        .ToList();
}
catch (AggregateException ae)
{
    // 处理多个并行任务抛出的异常
    foreach (var e in ae.InnerExceptions)
    {
        Console.WriteLine($"Parallel error: {e.Message}");
    }
}

10.3 并行聚合操作

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// 使用并行聚合函数
var parallelSum = data.AsParallel().Sum();
var parallelAvg = data.AsParallel().Average();
var parallelMax = data.AsParallel().Max();

// 自定义并行聚合
var customAggregate = data.AsParallel().Aggregate(
    seed: 0,  // 初始值
    updateAccumulatorFunc: (acc, item) => acc + item,  // 每个线程的累加
    combineAccumulatorsFunc: (acc1, acc2) => acc1 + acc2,  // 合并线程结果
    resultSelector: acc => acc  // 最终结果转换
);

十一、LINQ 与现代 C# 特性结合

11.1 LINQ 与记录类型 (C# 9.0+)

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// 使用记录类型作为不可变数据载体
public record ProductSummary(string Name, decimal Price, string Category);

var summaries = products
    .Select(p => new ProductSummary(p.Name, p.Price, p.Category))
    .Where(s => s.Price > 100)
    .OrderBy(s => s.Name)
    .ToList();

// 记录类型支持 with 表达式,可与 LINQ 结合
var discounted = products
    .Select(p => p with { Price = p.Price * 0.9m }) // 创建降价副本
    .ToList();

11.2 LINQ 与 Source Generators

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// 使用 [GenerateLINQ] 特性(示例概念)
[GenerateLINQ]
public partial class ProductRepository
{
    private List<Product> _products;
    
    // 源生成器自动生成优化的查询方法
    // 例如:GetProductsByPrice(decimal minPrice)
    // 避免反射和表达式树编译开销
}

// 生成的代码类似:
public partial class ProductRepository
{
    public IEnumerable<Product> GetProductsByPrice(decimal minPrice)
    {
        for (int i = 0; i < _products.Count; i++)
        {
            if (_products[i].Price >= minPrice)
                yield return _products[i];
        }
    }
}

11.3 LINQ 与异步流 (IAsyncEnumerable)

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// 异步 LINQ 扩展方法
public static async IAsyncEnumerable<T> WhereAsync<T>(
    this IAsyncEnumerable<T> source,
    Func<T, bool> predicate)
{
    await foreach (var item in source)
    {
        if (predicate(item))
            yield return item;
    }
}

// 使用 System.Linq.Async 包
var results = await dataStream
    .WhereAsync(x => x.IsValid)
    .SelectAsync(async x => await ProcessAsync(x))
    .Take(100)
    .ToListAsync();

十二、诊断与监控

12.1 LINQ 查询性能计数器

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public class LINQMonitor
{
    private static readonly ConcurrentDictionary<string, QueryStats> _stats = new();
    
    public static IDisposable MeasureQuery(string queryName)
    {
        return new QueryMeasurement(queryName);
    }
    
    public static void PrintStats()
    {
        foreach (var kvp in _stats)
        {
            Console.WriteLine($"{kvp.Key}: {kvp.Value}");
        }
    }
    
    private class QueryMeasurement : IDisposable
    {
        private readonly string _name;
        private readonly Stopwatch _sw;
        
        public QueryMeasurement(string name)
        {
            _name = name;
            _sw = Stopwatch.StartNew();
        }
        
        public void Dispose()
        {
            _sw.Stop();
            _stats.AddOrUpdate(_name, 
                new QueryStats(_sw.Elapsed, 1),
                (key, old) => old.AddMeasurement(_sw.Elapsed));
        }
    }
}

// 使用
using (LINQMonitor.MeasureQuery("ExpensiveQuery"))
{
    var result = expensiveQuery.ToList();
}

12.2 LINQ 查询分析器

csharp

复制代码
public class LINQAnalyzer
{
    public static string AnalyzeQuery<T>(IQueryable<T> query)
    {
        // 获取表达式树
        var expression = query.Expression;
        
        // 分析表达式树结构
        var visitor = new AnalysisVisitor();
        visitor.Visit(expression);
        
        return visitor.GetAnalysisReport();
    }
    
    private class AnalysisVisitor : ExpressionVisitor
    {
        private int _whereCount;
        private int _selectCount;
        private int _joinCount;
        
        protected override Expression VisitMethodCall(MethodCallExpression node)
        {
            if (node.Method.Name == "Where") _whereCount++;
            if (node.Method.Name == "Select") _selectCount++;
            if (node.Method.Name == "Join") _joinCount++;
            
            return base.VisitMethodCall(node);
        }
        
        public string GetAnalysisReport()
        {
            return $"Where: {_whereCount}, Select: {_selectCount}, Join: {_joinCount}";
        }
    }
}

十三、安全最佳实践

13.1 防范 LINQ 注入攻击

csharp

复制代码
// 危险:字符串拼接
string userInput = "'; DROP TABLE Users; --";
var dangerous = dbContext.Products
    .Where($"Name = '{userInput}'") // SQL 注入风险!
    .ToList();

// 安全:参数化查询
var safe = dbContext.Products
    .Where(p => p.Name == userInput) // 转换为参数化查询
    .ToList();

// 动态查询安全实践
var predicate = PredicateBuilder.True<Product>();
if (!string.IsNullOrEmpty(nameFilter))
{
    // 使用参数化方式构建
    predicate = predicate.And(p => p.Name.Contains(nameFilter));
}
if (priceFilter.HasValue)
{
    predicate = predicate.And(p => p.Price > priceFilter.Value);
}

var result = dbContext.Products.Where(predicate).ToList();

13.2 内存安全与大型数据集

csharp

复制代码
// 流式处理大型数据集
public static IEnumerable<Result> ProcessLargeDataset(IEnumerable<Data> source)
{
    foreach (var item in source)
    {
        // 一次只处理一个,减少内存压力
        yield return ProcessItem(item);
    }
}

// 使用块处理
public static async Task ProcessInChunksAsync(IAsyncEnumerable<Data> source, int chunkSize)
{
    await foreach (var chunk in source.Buffer(chunkSize))
    {
        // 处理一个块
        await ProcessChunkAsync(chunk);
    }
}

十四、LINQ 设计模式

14.1 Specification 模式与 LINQ

csharp

复制代码
public interface ISpecification<T>
{
    Expression<Func<T, bool>> ToExpression();
    bool IsSatisfiedBy(T entity);
}

public class PriceRangeSpecification : ISpecification<Product>
{
    private readonly decimal _minPrice;
    private readonly decimal _maxPrice;
    
    public PriceRangeSpecification(decimal minPrice, decimal maxPrice)
    {
        _minPrice = minPrice;
        _maxPrice = maxPrice;
    }
    
    public Expression<Func<Product, bool>> ToExpression()
    {
        return p => p.Price >= _minPrice && p.Price <= _maxPrice;
    }
    
    public bool IsSatisfiedBy(Product entity)
    {
        return entity.Price >= _minPrice && entity.Price <= _maxPrice;
    }
}

// 使用
var spec = new PriceRangeSpecification(100, 1000);
var products = dbContext.Products.Where(spec.ToExpression()).ToList();

14.2 Repository 模式与 LINQ

csharp

复制代码
public interface IRepository<T> where T : class
{
    IQueryable<T> Query();
    IQueryable<T> Query(Expression<Func<T, bool>> predicate);
    Task<T?> FindAsync(params object[] keyValues);
    void Add(T entity);
    void Update(T entity);
    void Remove(T entity);
}

public class ProductRepository : IRepository<Product>
{
    private readonly DbContext _context;
    
    public IQueryable<Product> Query()
    {
        return _context.Set<Product>().AsNoTracking();
    }
    
    public IQueryable<Product> Query(Expression<Func<Product, bool>> predicate)
    {
        return Query().Where(predicate);
    }
    
    // 添加特定领域的查询方法
    public IQueryable<Product> GetExpensiveProducts(decimal minPrice)
    {
        return Query().Where(p => p.Price >= minPrice);
    }
}

十五、性能对比表

操作类型 LINQ 方式 传统方式 性能差异 适用场景
简单过滤 Where(p => p.Active) for循环+if 慢 2-5倍 非性能关键代码
复杂转换 Select(p => new {...}) 手动创建列表 慢 3-8倍 数据投影
聚合操作 Sum()Average() 手动累加 慢 1.5-3倍 统计计算
排序 OrderBy() Array.Sort() 慢 5-10倍 小数据集排序
查找 FirstOrDefault() for循环查找 慢 2-4倍 查找单个元素
分组 GroupBy() 手动字典分组 慢 3-6倍 数据分组统计

十六、实战建议

  1. 分层使用策略

    • UI层:可多用LINQ,强调可读性

    • 业务层:选择性使用,关注可维护性

    • 数据层:谨慎使用,优先考虑性能

    • 基础设施层:避免使用,追求极致性能

  2. 团队规范

    • 建立LINQ使用规范文档

    • 代码审查关注LINQ性能陷阱

    • 性能测试包含LINQ查询

    • 培训团队成员理解LINQ内部机制

  3. 监控与调优

    • 记录慢查询日志

    • 定期分析LINQ性能

    • 建立性能基准测试

    • 优化高频使用的查询

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