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08/18/2015

本文章是由機器翻譯。

領先技術

別著急，人懶沒問題

Dino Esposito

在軟體發展中，術語延遲指的是盡可能久地推遲特定的高開銷活動的閒置時間。軟體延遲過程中其實也在進行操作，但意味著任何操作僅當需要完成某一特定任務時才會發生。就這一點而言，延遲是軟體發展中的一種重要模式，可以成功地應用於包括設計與實施在內的各種情景中。

例如，極限程式設計方法中的一種基本編碼實踐就被簡單地概括為“您不會需要它”，那就是一種明確的延遲要求 - 當且僅當您需要這些功能時，才需要在基本代碼中包含它。

從另一個角度來看，在實施類的過程中，當要從難以訪問的源中載入資料時，您也可能需要延遲。事實上，延遲載入模式解釋了這種普遍接受的解決方案，即定義一個類成員，但使其保持為空，直到其他某些用戶端代碼實際需要其內容時為止。延遲載入完全適合在物件關係映射 (ORM) 工具（如實體框架和 NHibernate）環境中使用。ORM 工具用於映射物件導向的環境與關聯式資料庫之間的資料結構。例如，在這種環境中，延遲載入指的就是僅當某些代碼嘗試讀取 Customer 類上公開的 Orders 集合屬性時，
框架才能載入 Customer 的 Orders。

但是，延遲載入並不限於特定的實施方案（如 ORM 程式設計）。而且，延遲載入指的就是在某些資料實際可用之前不獲取該資料的實例。換言之，延遲載入就是要有特殊工廠邏輯，即跟蹤必須要創建的內容，最後在實際請求該內容時以靜默方式創建該內容。

在 Microsoft .NET Framework 中，開發人員早就在我們的類中手動實施了所有延遲行為。在 .NET Framework 4 問世之前，從未有過內置的機制來説明完成此任務。在 .NET Framework 4 中，我們可以開始
使用全新的 Lazy<T>類。

瞭解 Lazy<T>類

Lazy<T>是一個特殊的工廠，您可以用來包裝給定 T 類型的物件。Lazy<T>包裝代表一個尚不存在的類實例的即時代理。使用 Lazy 包裝的理由有很多，其中最重要的莫過於可以提高性能。延遲初始化物件可以避免所有不必要的計算，從而減少記憶體消耗。如果加以合理利用，延遲初始化物件也可以成為一種加快應用程式啟動的強大工具。以下代碼說明了以延遲方式初始化物件的方法：

var container = new Lazy<DataContainer>();

在本例中，DataContainer 類表示的是一個引用了其他物件陣列的純資料容器物件。在剛剛對 Lazy<T>實例調用完 new 運算子之後，返回的只是一個即時的 Lazy<T>類實例；無論如何都不會得到指定類型 T 的實例。如果您需要向其他類的成員傳遞一個 DataContainer 實例，則必須更改這些成員的簽名才能使用 Lazy<DataContainer>，如下所示：

void ProcessData(Lazy<DataContainer> container);

何時創建 DataContainer 的實際實例，以便程式可以處理其所需的資料？讓我們來看看 Lazy<T>類的公共程式設計介面。該公共介面非常小，因為它只包含兩個屬性：Value 和 IsValueCreated。如果存在與 Lazy 類型關聯的實例，則屬性 Value 就會返回該實例的當前值。該屬性的定義如下：

public T Value 
{
  get { ... }
}

屬性 IsValueCreated 可以返回一個 Boolean 值，表示 Lazy 類型是否已經過產生實體。以下是該屬性的原始程式碼中的一段摘錄：

public bool IsValueCreated
{
  get
  {
    return ((m_boxed != null) && (m_boxed is Boxed<T>));
  }
}

如果 Lazy<T>類包含 T 類型的實際實例（如果有），則 m_boxed 成員就是該類的一個內部私有的不穩定成員。因此，IsValueCreated 只需檢查是否存在 T 的即時實例，然後返回一個 Boolean 答案。如前文所述，m_boxed 成員是私有的並且不穩定（如以下程式碼片段所示）：

private volatile object m_boxed;

在 C# 中，volatile 關鍵字表示成員可以被併發運行的執行緒修改。 volatile 關鍵字用於下麵這樣的成員：這類成員可以在多執行緒環境中使用，但無法防止多個可能的併發執行緒同時對其進行訪問（本意是出於性能因素考慮）。我們稍後再回到 Lazy<T>的執行緒方面上來。目前，可以肯定地說，預設情況下 Lazy<T>的公共成員和受保護成員是執行緒安全的。當有任意代碼首次嘗試訪問 Value 成員時，就會創建類型 T 的實際實例。物件創建方面的詳細資訊取決於各種執行緒屬性，這些屬性可以通過 Lazy<T>構造函數來指定。應該明確的是，執行緒模式的含義僅當 boxed 值實際上已初始化或首次被訪問時才很重要。

預設情況下，類型 T 的實例是通過調用 Activator.CreateInstance 進行反射獲取的。以下是一個典型的與 Lazy<T>類型進行交互的簡單示例：

var temp = new Lazy<DataContainer>();
Console.WriteLine(temp.IsValueCreated);
Console.WriteLine(temp.Value.SomeValue);

請注意，在調用 Value 之前，並不一定要對 IsValueCreated 進行檢查。通常情況下，僅當（無論出於何種原因）您需要瞭解某個值當前是否與 Lazy 類型關聯時，才必須查看 IsValueCreated 的值。您無需檢查 IsValueCreated 即可避免發生對 Value 的空引用異常。以下代碼即可保證正常運行：

var temp = new Lazy<DataContainer>();
Console.WriteLine(temp.Value.SomeValue);

Value 屬性的 getter 會檢查 boxed 值是否已經存在；如果不存在，則會觸發邏輯創建一個包裝類型實例，並返回該實例。

產生實體過程

當然，當該 Lazy 類型（上例中的 DataContainer）的構造函數引發異常時，您的代碼會負責處理該異常。所捕獲異常屬於 TargetInvocationException 類型，該異常是 .NET 反射無法間接創建某類型實例時收到的典型異常。

Lazy<T>包裝邏輯只能確定是否已創建類型 T 的實例，並不能保證您在訪問 T 上的任意公共成員時都不會收到空引用異常。以下麵的程式碼片段為例：

public class DataContainer
{
  public DataContainer()
  {
  }

  public IList<String> SomeValues { get; set; }
}

現在假設您嘗試從用戶端程式調用以下代碼：

var temp = new Lazy<DataContainer>();
Console.WriteLine(temp.Value.SomeValues.Count);

在這種情況下，您將收到一個異常，這是因為 DataContainer 物件的 SomeValues 屬性為空，而非 DataContainer 本身為空。引發該異常是因為 DataContainer 的構造函數沒有正常初始化其所有成員；該錯誤與 lazy 方法的實施無關。

Lazy<T>的 Value 屬性為唯讀屬性，即一旦經過初始化，Lazy<T>物件將始終返回同一個類型 T 實例或同一個值（當 T 為數值型別時）。您無法修改實例，但可以訪問該實例可能擁有的所有公共屬性。

以下是配置 Lazy<T>物件向 T 類型傳遞臨時參數的方法：

temp = new Lazy<DataContainer>(() => new Orders(10));

其中一個 Lazy<T>構造函數會接受一個委託，您可以通過該委託指定為 T 構造函數產生正確輸入資料所需的任何操作。在首次訪問包裝的 T 類型的 Value 屬性之前，不會運行該委託。

執行緒安全初始化

預設情況下，Lazy<T>是執行緒安全的，即多個執行緒可以訪問一個實例，並且所有線程都會收到同一個
T 類型的實例。讓我們來看看執行緒方面的內容，執行緒僅在首次訪問 Lazy 物件時很重要。

第一個訪問 Lazy<T>物件的執行緒將觸發類型 T 的初始化過程。所有後續獲得 Value 的存取權限的執行緒都會收到第一個執行緒（無論什麼執行緒）生成的回應。換言之，如果第一個執行緒在調用類型 T 的構造函數時引發了異常，則所有後續調用（無論什麼執行緒）都會收到同樣的異常。
按照設計，不同的執行緒無法從同一個 Lazy<T>實例獲得不同的回應。這是您選擇預設的 Lazy<T>構造函數時獲得的行為。

但是，Lazy<T>類也可以運行另一個構造函數：

public Lazy(bool isThreadSafe)

Boolean 參數表示您是否需要執行緒安全。如前文所述，預設值為 true，就表示可以提供上述行為。

但是，如果您傳遞的是 false，則將只從一個執行緒（初始化該 Lazy 類型的執行緒）訪問 Value 屬性。未定義當有多個執行緒嘗試訪問 Value 屬性時的行為。

接受 Boolean 值的 Lazy<T>構造函數是一種更常見簽名的特殊情況，在這種情況下，您要通過 LazyThreadSafetyMode 枚舉向 Lazy<T>
構造函數傳遞值。 图 1 說明了該枚舉中每個值的作用。

圖 1 LazyThreadSafetyMode 枚舉

值	描述
無	Lazy<T>實例不是執行緒安全的，並且未定義當從多個執行緒訪問該實例時的行為。
PublicationOnly	允許多個執行緒同時嘗試初始化 Lazy 類型。第一個完成的執行緒是獲勝者，所有其他執行緒生成的結果都將被丟棄。
ExecutionAndPublication	為了確保只有一個執行緒能夠以執行緒安全的方式初始化 Lazy<T>實例而使用了鎖。

您可以使用以下任一構造函數來設置 PublicationOnly 模式：

public Lazy(LazyThreadSafetyMode mode)
public Lazy<T>(Func<T>, LazyThreadSafetyMode mode)

图 1 中除 PublicationOnly 以外的值都是在使用接受 Boolean 值的構造函數時隱式設置的：

public Lazy(bool isThreadSafe)

在該構造函數中，如果參數 isThreadSafe 為 false，則選定的執行緒模式為 None。如果參數 isThreadSafe 設置為 true，則執行緒模式設置為 ExecutionAndPublication。 ExecutionAndPublication 也是您選擇預設構造函數時的工作模式。

使用 ExecutionAndPublication 時可以保證完全線程安全，使用 None 時缺乏執行緒安全，而使用 PublicationOnly 模式則介於二者之間。 PublicationOnly 允許多個併發執行緒嘗試創建類型 T 實例，但只允許一個執行緒是獲勝者。獲勝者創建的 T 實例隨後會在所有其他執行緒（無論每個執行緒計算的實例如何）之間共用。

就初始化過程中可能引發異常方面，None 和 ExecutionAndPublication 之間有一個很有趣的區別。當設置為 PublicationOnly 且初始化過程中產生的異常未寫入緩存時，如果 T 實例不可用，則嘗試讀取 Value 的每個後續執行緒都有機會重新初始化該實例。 PublicationOnly 和 None 之間的另一個區別是，當 T 的構造函數嘗試遞迴訪問 Value 時，PublicationOnly 模式中不會引發任何異常。當 Lazy<T>類以 None 或 ExecutionAndPublication 模式工作時，該情況會引發 InvalidOperation 異常。

放棄執行緒安全可以獲得原有的性能優勢，但要注意防止出現令人討厭的 Bug 和爭用情況。因此，建議您僅當性能極為關鍵時才使用 LazyThreadSafetyMode.None 選項。

使用 LazyThreadSafetyMode.None 時，您需要負責確保絕不會發生從多個執行緒對 Lazy<T>實例進行初始化的情況。否則，可能會產生不可預料的結果。如果初始化過程中引發異常，則對於該執行緒，對 Value 的所有後續訪問都會緩存和引發相同的異常。

ThreadLocal 初始化

按照設計，Lazy<T>禁止不同的執行緒管理其各自的類型 T 實例。但是，如果您希望允許該行為，
您必須選擇其他類（ThreadLocal<T>類型）。以下是該類的使用方法：

var counter = new ThreadLocal<Int32>(() => 1);

構造函數會接受一個委託，並使用該委託來初始化 thread-local 變數。每個執行緒都會保留自己的資料，其他執行緒完全無法訪問該資料。與 Lazy<T>不同，ThreadLocal<T>上的 Value 屬性是可讀寫的。因此，每個訪問與下一個訪問之間是獨立的，可能產生包括引發（或不引發）異常在內的不同結果。如果您未通過 ThreadLocal<T>構造函數提供操作委託，則嵌入的物件將使用該類型的預設值 null（當 T 為一個類時）進行初始化。

實現 Lazy 屬性

大多數情況下，您要使用 Lazy<T>作為您自己的類中的屬性，但到底是哪些類中要使用它呢？ ORM 工具本身提供了延遲載入功能，因此如果您使用的是這些工具，在資料訪問層所在的應用程式片段中很可能找不到可能承載 lazy 屬性的候選類。如果您使用的不是 ORM 工具，則資料訪問層肯定非常適合 lazy 屬性。

可以在其中使用依賴關係注入的應用程式片段也可能非常適合延遲。在 .NET Framework 4 中，託管可擴展性框架 (MEF) 只使用 Lazy<T>來實現控制項的可擴展性和反轉。即使您不是直接使用 MEF，依賴關係的管理也非常適合 lazy 屬性。

在類中實現 lazy 屬性並不困難，如圖 2 所示。

圖 2 Lazy 屬性示例

public class Customer
{
   private readonly Lazy<IList<Order>> orders;

   public Customer(String id)
   {
      orders = new Lazy<IList<Order>>( () =>
      {
         return new List<Order>();
      }
      );
   }

   public IList<Order> Orders
   {
      get
      {
         // Orders is created on first access
         return orders.Value;
      }
   }
}

補充說明

總而言之，延遲載入是一個抽象的概念，指的是僅當真正需要資料時才載入資料。在 .NET Framework 4 問世之前，開發人員需要自己開發延遲初始化邏輯。 Lazy<T>類擴展了 .NET Framework 程式設計工具包，可讓您在當且僅當嚴格需要高開銷物件時，才在恰好開始使用這些物件之前對這些物件進行產生實體，從而避免浪費計算資源。

Dino Esposito 是 Microsoft Press 出版的《Programming ASP.NET MVC》一書的作者，也是《Microsoft .NET:Architecting Applications for the Enterprise》(Microsoft Press, 2008) 一書的合著者。Esposito 定居於義大利，經常在世界各地的業內活動中發表演講。您可訪問他的博客，網址為 weblogs.asp.net/despos。

衷心感謝以下技術專家對本文的審閱： Greg Paperin

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