使用C# 7元组语言特性优化数据驱动软件研究

摘 要：C#作为一种现代编程语言，广泛应用于通用业务系统开发。由于早期的C#语法限制，在数据密集型领域使用MatLab、Python、IDL（Interactive Data Language）等动态脚本语言更为合适。C# 7新增了简单灵活的轻量级元组类型。分析了元组的几个典型应用场景，并给出了具体示例，包括多变量初始化、多变量赋值、多变量互换、封装函数返回的多变量、作为中间层的数据容器、用于LINQ select表达式获得语义信息，以及利用析构（deconstructing）实现对象到元组的自动转换等。实践表明，元组适合数据驱动领域开发，提高了生产效率，达到了动态语言效果。对C# 7 tuple存在的缺陷，如deconstructing的非对称性、赋值的非传递性和可变性（mutable）等提出了改进意见，为利用开源编译器Roslyn优化C#特性提供了设计思路。

关键词：元组；动态脚本；语言设计；编译器Roslyn

DOI：10.11907/rjdk.171599

中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：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#作為一种通用的面向对象编程语言，提供了丰富的类型系统，使得编译器可进行强类型语法检查，能较好保证代码的安全性，在用户界面、数据库、网络、多媒体和地理信息系统等通用软件开发领域有着广泛应用。但由于语法限制，过去在数据驱动和交互脚本领域，仅仅是提取数据，开发者需要编写大量额外的类或结构体，掩盖了开发者的设计意图，降低了开发效率；同时C#的类实例（class instance）是引用类型（reference），会带来较大性能损失。

C# 7引入了tuple（元组）类型，由编译器和IDE（Integrated Development Environment）提供上下文智能感知和强类型检查，在Visual Studio 2017中可以使用。元组是一种比类和结构体更简单灵活的轻量级（lightweight）值类型（ValueType），完全不同于以前.NET平台的Tuple泛型API（Application Programming Interface）。为此，本文探讨该元组特性在数据驱动领域的开发及应用。

1 应用场景和示例

1.1 多变量同时初始化

若不利用元组语言特性，两个变量初始化一般做法为：

string name = "XiangRikui"；

int age = 10；

利用元组语言特性，两个变量初始化可写成下面的第1句，第2句和第3句具有同样效果，只是利用了C#[1-8]的隐形类型（implicit type），由编译器的类型推断（type inference）功能确定真正的强类型（strong type）。

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

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

var （name， age） = （"XiangRikui"， 10）；

1.2 多变量同时赋值

int age；

string name；

（name， age） = （"XiangRikui"， 1）；

利用元组的多变量同时初始化和同时赋值功能，计算斐波那契数列，可达到同动态语言Python相同的精简[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 交换变量值

对于两个相同类型（例如字符串）的变量a和b，要交换值，传统的做法是引入第3个临时变量，而且要考虑临时变量的数据类型。

string temp = a；

a = b；

b = t；

利用元组，不用引入临时变量，可直接互换，这在数据排序里非常有用。利用这一特性，可同时交换任意数量的变量值。

（a， b） = （b， a）；

1.4 封装函数返回的多个变量

在动态脚本语言如MatLab、Python和ENVI IDL（Interactive Data Language）中，都支持函数返回多个变量。但过去在C#中，一般需要编写新的类或结构体，而类或结构体意味着对数据操作，这掩盖了开发者意图，同时也带来了性能损失。利用元组，可以封装（pack）函数返回的多个变量。

例如，利用全站仪测量的水平距离和方位角，不用编写新的Point类型就可直接利用元组返回函数计算坐标增量（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 作为中间层的数据容器

元组可存储来自文本文件、Excel、XMl和数据库中的数据，代替重量级的DataTable或自定义类型。

例如，激光扫描仪测量的彩色激光点云，同时具有三维坐标和颜色信息，利用元组返回测量值可表示如下：

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

1.6 获得语义信息

LINQ表达式中，select用命名元组（named tuple）表示可以获得的语义信息 ：

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

from item in AllItems

select （item.ID， item.Title）；

如果不利用命名元組，则要么生成匿名对象，要么需要处理Item1、Item2这样的非语义名称。

1.7 实现对象到元组的自动转换

在类中定义Deconstruct函数，把组成该类型的字段用out参数表示：

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；

}

}

利用析构（Deconstruction）功能，编译器可拆封用户自定义类型字段，提取字段到相应的元组成员，实现对象到tuple（字段）的自动转换，tuple字段与Construct函数中的out变量一一对应：endprint

var p = new Point（3.14， 6.28）；

（double X， double Y） = p；

2 C# 7 tuple存在的缺陷及设计建议

2.1 Deconstruction设计的非对称性

C# 7支持对象到元组（字段）的自动转换，但不支持tuple到对象的自动转换。在类中定义Deconstruct函数后，可以利用tuple自动提取相应字段，轻松实现对象到tuple（成员字段）的转换。但即使类实现了Construct函数，C#却没有提供tuple（成员字段）到对象的自动转换功能：

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

建议：增加Construct支持Deconstruction。

从语法设计的角度，增加对Construct的支持，由编译器进行类型检查，并自动调用Construct函数实现从元组到对象的自动转换：

Var tuple = （3.14， 6.28）；

ClassName p = tuple； //设计建议，由编译器自动调用对应类的ClassName.Construct

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

2.2 tuple与Deconstruction赋值的非传递性

当赋值操作符右边为元组字面常量（tuple literal）时，左边可以命名元组变量（named tuple），或者拆封（unpack）元组成员。但当赋值操作符右边为对象时，左边只能为拆封元组成员形式，不能为元组变量：

/* 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

建议：当赋值操作符右边为对象实例时，左边支持命名数组。

2.3 元组可变类型

元组是值类型（ValueType），属于可变类型（mutable）。在C#中，ValueType被认为是可变类型。在并行计算、多线程计算中，可变类型不是安全的类型。

建议：增加不可变元组（immutable tuple）

对所有值类型增加关键字immutable，以适用并行计算和多线程计算：

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

3 结语

利用tuple打包（pack）数据，可以获得类似Python、MatLab和ENVI IDL（Interactive Data Language）等动态语言效果。但目前C#元组存在一些小的设计缺陷，通过修改C#开源编译器Roslyn[10]，可以设计新特性。加上C#的动态特性（dynamic）、并行计算（parallel）、异步计算（async）、函数式编程（functional）和跨平台（.NET Core）等新特性，使这一通用语言在数据驱动、甚至在数值计算密集型领域得到更广泛的应用。

参考文献：

[1] 沈宫新.基于C#的Windows窗体端口扫描程序分析[J].软件导刊，2017（1）：38-40.

[2] 严真卿，杨增汪.基于C#的即时通讯工具开发[J].电子技术与软件工程，2014（14）：95-138.

[3] 周虎.基于C#的Excel数据批量导入SqlServer的方法研究与实现[J].软件工程师，2014（12）：54-56.

[4] 王舜.基于C#的C/S和B/S职场发展分析[J].计算机光盘软件与应用，2014（2）：135-136.

[5] 谢小魁，陈青海，周清，等.基于C#.NET和开放数据的大比例尺高精度数字高程模型提取研究[J].测绘与空间地理信息，2016（9）：13-15.

[6] 谢小魁，方武生，田良辉，等.基于EXCEL VSTO的测量导线计算教学系统设计[J].矿山测量，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.

（责任编輯：杜能钢）endprint