C# 筆記：重訪委派－從 C# 1.0 到 2.0 到 3.0

http://huan-lin.blogspot.com/2009/01/delegate-revisited-csharp-1-to-2-to-3.html

這篇文章主要是複習一下 C# 委派（delegate）的基本觀念，同時也示範從 C# 1.0、2.0、到 3.0 的委派寫法。 我們會看到更直覺的建立委派物件的語法、匿名方法、以及 Lambda 表示式。

為什麼要用委派？

從類別設計者的角度來看：在設計類別時，可能會碰到某個方法在執行時需要額外的處理，但你不想／無法將這部份的處理寫死在類別裡（因為變化太多或無法預先得知其處理規則），此時就得將這個部分「外包」給呼叫端。也就是說，呼叫端必須事先提供（註冊）一個函式，等到你的方法在執行時，就會回頭去呼叫（callback）那個事先指定的外包函式。好，正式一點，我們將外包函式稱為「委派方法」。對類別設計者來說，這種設計方式可將那些變化不定的繁瑣細節從類別中移出去，使類別保持乾淨、穩定。
從呼叫端的角度來看：當你在使用某個類別時，該類別已經設計好一種模式，在你呼叫某個方法之前，它會要求你先提供一個符合特定簽名（signature；即參數與傳回值）的方法，才能達成你想要執行的工作。因此，即使你不是類別設計者，也要了解委派的用法。

傳統的委派寫法

這裡的傳統寫法指的是從 C# 1.0 就提供的委派寫法，這不是說到了 C# 3.0 就全變了樣－－基本的程式撰寫模型還是一樣，只是寫法稍有變化。在撰寫委派機制時，基本上都離不開四個步驟：

1. 宣告委派型別。你需要使用關鍵字 delegate 來定義委派型別的名稱，以及傳入參數和傳回值。
2. 定義一個符合委派型別的 signature 的方法（可為 instance method 或 static method），這裡簡稱為委派方法。
3. 建立委派物件，並指定委派方法。
4. 透過委派物件執行委派方法。

舉例來說，假設我們要設計一個字串串列的類別：StringList（只是為了示範，想必你知道有現成的類別可用了）。我們希望 StringList 提供一個 Find 方法，可以尋找某個符合特定條件的字串，例如：字串中包含特定字元、以特定字元開頭、以特定字元結尾.....等等，可是由於比對條件太多了，如果要寫在類別裡，勢必得提供好幾個方法，例如：FindContains、FindStartsWith、FindEndsWith....等等，而且每碰到一種需求就得再寫一個 Find 版本。比較好的作法，是讓呼叫端來提供字串比對的動作，如此一來，StringList 類別就只需提供一個 Find 方法，這也意味著它提供了一種支援未來（未知）需求的方法。
StringList 類別大概會長這樣：

   1:  public delegate bool Predicate(string s);  // 步驟 1: 定義委派型別.   2:     3:  public class StringList   4:  {   5:      // 我知道用 ArrayList 看起來有點笨，但我想還是先不要把泛型扯進來。   6:      private ArrayList strings;   7:     8:      public StringList()   9:      {  10:          // 在建構元裡面就填好字串內容...只是為了示範，實際上通常不會這樣寫.  11:          strings = new ArrayList();  12:          strings.Add("Banana");  13:          strings.Add("Apple");  14:          strings.Add("Mango");  15:      }  16:    17:      public string Find(Predicate p)  18:      {  19:          for (int i = 0; i < strings.Count; i++)  20:          {  21:              string s = (string) strings[i];  22:              bool isMatch = p(s);  // 步驟 4: 執行委派任務. 等同於 p.Invoke(s)  23:              if (isMatch)    // 目前的字串符合呼叫端的比對條件？  24:              {  25:                  return s;  26:              }  27:          }  28:          return "";  // 找不到，傳回空字串  29:      }  30:  }

注意第 1 行的宣告，這一行就是前面說的步驟 1：宣告委派型別。這行程式碼的意思是：定義一個名為 Predicate 的委派型別，而這個委派型別所要「包裝」的函式必須傳入一個字串，並傳回一個布林值，代表該字串是否符合比對條件。 注意我說「委派型別」，是的，雖然只有一行，但這寫法確實是在定義一個類別－－編譯器會將它編譯成一個繼承自 System.MulticastDelegate 的類別，而從這個父類別 MulticastDelegate 的名稱便可約略看出，這個委派型別的 instance（以下皆以「委派物件」稱之）可以一次引動（invoke）多個委派方法。這點稍後會再說明。

Find 方法需要傳入一個 Predicate 委派物件，它會用一個 for 迴圈逐一走訪串列中的每個字串，並透過該委派物件得知目前處理的字串是否符合呼叫端的比對條件。這也就是前面說的，StringList 的 Find 方法把字串比對的工作外包給呼叫端了，因為只有呼叫端才知道它想要找甚麼樣的字串。
StringList 類別設計好之後，接著來看用戶端會怎麼使用這個類別。我們會看到前面所說的四個步驟中的後面三個步驟。
由於我們的 StringList 類別已經預先內建了三個字串："Apple"、"Mango"、"Banana"，所以我們可以直接示範尋找以 "go" 結尾的字串。 範例程式碼如下：

   1:  /// <summary>   2:  /// 示範 C# 1.0 的委派寫法.   3:  /// </summary>   4:  public class DelegateDemoVer1   5:  {   6:      public void Run()   7:      {   8:          StringList fruits = new StringList();   9:    10:          Predicate p = new Predicate(FindMango); // 步驟 3: 建立委派物件  11:    12:          string s = fruits.Find(p);  13:    14:          Console.WriteLine(s);  15:      }  16:    17:      // 步驟 2: 撰寫符合委派型別所宣告的委派方法。  18:      bool FindMango(string s)  19:      {  20:          return s.EndsWith("go");  21:      }  22:  }

注意第 10 行，也就是建立委派物件的程式碼，這行可以這樣理解：建立一個委派物件，這個委派物件會記住（保存）你提供的函式（此處即為 FindMango 方法），以便將來需要時可以呼叫它。但是，前面提過，委派型別是繼承自 System.MulticastDelegate 類別，這隱約透露著委派物件不只能記住一個函式。事實上，委派物件內部有一個串列，所以它能夠存放多個函式參考。如果你還是覺得不太明白，不妨把委派物件想像成一個代理人，這個代理人手上有一份工作清單，而你可以任意加入多項工作到這份清單裡，到時候只要呼叫這個代理人的 Invoke 方法，它就會逐一執行工作清單中的每一項任務。

以剛才的第 10 行程式碼來說，其作用就只是交代一項工作（指定一個函式參考）而已。如果要加入多項工作，就必須使用另一個運算子：+=。例如：

   Predicate p = new Predicate(FindMango);

   p += new Predicate(FindApple);

   p += new Predicate(FindMango);    

其記憶體布局如下圖所示：

我刻意重複加入了 FindMango，是為了強調：委派物件的呼叫清單不會濾掉重複的函式參考，亦即同一個函式可以重複加入多次。當你呼叫委派物件的 Invoke 方法，它就會逐一呼叫清單中的每一個函式。另外要牢記的是：在撰寫程式時，程式的執行結果絕對不可依賴這些委派函式的執行順序；它們的執行順序不見得是你認為的那樣。喔對了，既然有 +=，當然也有 -=；二者寫法相同，只是前者會將函式參考加入呼叫清單，後者則是從清單中移除函式參考。

以上就是 .NET 委派程式設計的基本觀念，也是 .NET 事件訂閱／發行的程式設計模型的基礎。我想談到這裡應該差不多了，接著來看 C# 2.0 和 3.0 的寫法。

C# 2.0 的寫法

C# 2.0 在建立委派物件的語法可以更簡潔、也更直覺。例如前面範例的第 10 行可以改成這樣：

  10:  Predicate p = FindMango; // 步驟 3: 建立委派物件

沒錯！建立委派物件時不需要用 new 了，當編譯器看到變數的型別是委派型別時，便會自動幫你加上 new 的動作。因此，原本的程式碼和改寫後的程式碼所編譯成的 IL code 都完全一樣。了解這點之後，我們可以再改一下程式碼，將第 10～12 行合併為一行，像這樣：

  10:  string s = fruits.Find(FindMango); // C# 2.0 在使用委派物件時更直覺!

用白話來解讀這行程式碼，可以這麼說：我要在一堆水果名稱中找找看有沒有芒果，而比對「芒果」的動作請用我提供的 FindMango 函式。由於你已經看過 C# 1.0 的委派寫法，所以你很清楚背後其實有建立委派物件的動作，但從表面上看來，這種寫法好像就只是在傳遞函式指標，對於有寫過 C/C++ 的人來說，應該會覺得很親切吧！（至少我是這麼覺得啦）正如前面所說的，你可以將委派物件想像成一個代理人，手上有一份你交代他要執行的函式（指標／參考），等到適當時機時，就可以透過他來執行這些事先指定的函式（請看第一個範例程式碼的第 22 行）。
C# 2.0 還增加了匿名方法（anonymous methods），所以 DelegateDemoVer1 範例程式碼還可以改寫成這樣：

   1:  /// <summary>   2:  /// 示範 C# 2.0 的委派寫法.   3:  /// </summary>   4:  public class DelegateDemoVer2   5:  {   6:      public void Run()   7:      {   8:          StringList fruits = new StringList();   9:    10:          Predicate p = delegate(string s)   // 步驟 3: 建立委派物件（使用匿名方法）  11:          {  12:              return s.EndsWith("go");  13:          };  14:          Console.WriteLine(fruits.Find(p));  15:      }  16:  }

你可以看到，原本步驟 2 的 FindMango 函式不見了，取而代之的是直接合併於步驟 3（建立委派物件）的程式碼中的匿名方法。附帶一提，如果匿名方法的程式碼太長（比如說，超過 20 行），我想還是明白定義成具名函式比較好。寫程式的方便性固然是我們想要的，但也應該同時顧及程式碼的易讀性。請再看一眼第 12 行的程式碼，問自己日後有沒有可能誤以為那個 return 是返回整個 Run 方法？
再強調一遍，C# 1.0 的委派寫法不是不能用了，也沒有所謂「標準寫法」，這裡只是要示範運用 C# 的新語法，你可以視需要選擇你認為最適合的寫法。

C# 3.0 的寫法

先把 DelegateDemoVer2 改寫後的程式碼列出來好了：

   1:  public class DelegateDemoVer3   2:  {   3:      public void Run()   4:      {   5:          StringList fruits = new StringList();   6:     7:          Predicate p = (string s) => { return s.EndsWith("go"); };  // 步驟 3: 建立委派物件（C# 3.0 only）   8:          Console.WriteLine(fruits.Find(p));   9:      }  10:  }

主要的改變在第 7 行，它取代了前一個使用匿名方法的範例程式碼的第 10～13 行。程式碼其實沒有省多少，因為原本的匿名方法其實也可以寫成一行。不過，不知道你的感覺是什麼，我第一次看到這樣的語法還真是覺得不適應－－那個類似箭頭的等於加大於的符號（=>）是什麼啊？
這是 C# 3.0 的 Lambda 表示式－－先別管它是什麼，就我們所知的線索，我們已經知道第 7 行所取代的程式碼，其作用是建立一個委派物件，並且內嵌一個委派方法，那麼我們可以這樣解讀：

建立一個委派物件，此委派物件內部要保存一個函式參考，該函式是一個用大括弧 { } 包住的匿名方法，而此匿名方法需要傳入（=>）一個字串參數。

嗯，把 => 符號解讀成「把左邊的參數傳入右邊的匿名方法」，這種理解方式應該有點幫助 ；腦袋先能轉換，看的時候就不會覺得刺眼了。事實上，在MSDN 官方文件中就有說，這個 => 符號是讀作 "goes to"。
既然寫起來沒有省多少打字工夫，解讀時還有點費力（看習慣之後應該就好了），那為什麼要用這種寫法？其實 Lambda 表示式還可以更簡潔：如果匿名方法的程式碼只有一行，我們可以把包住程式區塊的大括弧去掉，變成這樣：

   7:          Predicate p = (string s) => s.EndsWith("go");

此外，編譯器大都有辦法推測參數型別，因此，如果傳入的參數只有一個，我們甚至可以省掉參數的型別宣告，以及那一對小括弧。於是最終的版本可簡化成這樣：

   7:          Predicate p = s => s.EndsWith("go");

是不是簡潔多了呢？

OK，現在可以來說一下甚麼是 Lambda 表示式了。如果前面講的你有看過且大致瞭解，那麼 MSDN 官方文件的這段文字應該就很清楚了：

「Lambda 運算式」(Lambda Expression) 是一種匿名函式，它可以包含運算式和陳述式 (Statement)，而且可以用來建立委派 (Delegate) 或運算式樹狀架構型別。

簡單地說，Lambda Expression 讓程式設計師可以用更簡潔的語法來建立委派物件和匿名方法。

小結

在這篇文章裡，我用一個簡單的 StringList 類別當作範例，經過一路修改，我們看到了 C# 2.0 的新語法在委派程式設計方面的改進（更直覺），也碰觸到了 C# 3.0 新增的 Lambda 表示式（更簡潔，但你的眼睛得想辦法適應）。不過，這篇的主角還是委派，所以 Lambda 的部分就點到為止，也許下次吧。Happy coding :)