深入理解C#管道式编程

前言

在 c# 编程中，管道式编程（pipeline style programming）其实存在已久，最明显的就是我们经常使用的 linq。在进入 dotnetcore 世界后，这种编程方式就更加明显，比如各种中间件的使用。通过使用这种编程方式，大大提高了代码的可维护性，优化了的业务的组合方式。

管道式编程具有如下优点：

创建一个流畅的编程范例，将语句转换为表达式并将它们链接在一起
用线性排序替换代码嵌套
消除变量声明 – 甚至不需要 var
提供某种形式的可变不变性和范围隔离
将结构代码编写成具有明确职责的小 lambda 表达式
……

基础实现

在该示例中，我们通过构建一个 double->int->string 的类型转换的管道来将一个目标数据最终转化为一个字符串。

首先，我们需要定义一个功能接口，用于约束每个功能函数的具体实现，示例代码如下所示：

public interface ipipelinestep<input, output>
{
    output process(input input);
}

然后，我们定义两个类型转换的功能类，继承并实现上述接口，示例代码如下所示：

public class doubletointstep : ipipelinestep<double, int>
{
    public int process(double input)
    {
        return convert.toint32(input);
    }
}
public class inttostringstep : ipipelinestep<int, string>
{
    public string process(int input)
    {
        return input.tostring();
    }
}

接着，定义一个扩展函数，用于连接上述的各个功能函数，示例代码如下所示：

public static class pipelinestepextensions
{
    public static output step<input, output>(this input input, ipipelinestep<input, output> step)
    {
        return step.process(input);
    }
}

最后，我们就可以构建一个完整的管道，用于我们的数据类型转换，示例代码如下所示：

class program
{
    static void main(string[] args)
    {
        double input = 1024.1024;
        // 构建并使用管道
        string result = input.step(new doubletointstep())
                             .step(new inttostringstep());
        console.writeline(result);
    }
}

此时，我们成功将一个 double 类型的数据转化为了 string 类型。通过介绍上述示例，我们可以简单将管道式编程概括为：定义功能接口 -> 实现功能函数 -> 组装功能函数。

依赖注入

上述代码在一般的情况下是可以正常运行的，但是如果希望以依赖注入(di) 的方式注入的话，我们就需要将我们的管道组装进行封装，方便作为一个统一的服务注入到系统中。

首先，我们需要定义一个抽线类，用于管道组装的抽象封装，示例代码如下所示：

public abstract class pipeline<input,output>
{
    public func<input, output> pipelinesteps { get; protected set; }
    public output process(input input)
    {
        return pipelinesteps(input);
    }
}

然后，我们就可以创建一个继承上述抽象类的具体管道组装类，示例代码如下所示：

public class trivalpipeline : pipeline<double, string>
{
    public trivalpipeline()
    {
        pipelinesteps = input => input.step(new doubletointsetp())
                                      .step(new inttostringstep());
    }
}

最后，我们可以将 trivalpipeline 这个具体的管道注入到我们的系统中。同样的，我们也可以直接使用，示例代码如下所示：

class program
{
    static void main(string[] args)
    {
        double input = 1024.1024;
        // 需要安装 microsoft.extensions.dependencyinjection
        var services = new servicecollection();
        services.addtransient<trivalpipeline>();
        var  provider = services.buildserviceprovider();
        var trival = provider.getservice<trivalpipeline>();
        string result = trival.process(input);
        console.writeline(result);
    }
}

条件式组装

上述两个示例代码展示的管道组装式不带任何条件限制的，无论参数是否合法都是这样组装进管道，但是在实际的开发过程中，我们需要对一定的业务模块进行条件性组装，所以这个时候我们就需要完善一下我们的代码。

首先，我们需要修改上面的 pipeline<input,output> 类，使其继承 ipipelinestep<input, output> 接口，示例代码如下所示：

public abstract class pipeline<input, output> : ipipelinestep<input, output>
{
    public func<input, output> pipelinesteps { get; protected set; }
    public output process(input input)
    {
        return pipelinesteps(input);
    }
}

然后，我们定义一个带条件的管道装饰器类，示例代码如下所示：

public class optionalstep<input, output> : ipipelinestep<input, output> where input : output
{
    private readonly ipipelinestep<input, output> _step;
    private readonly func<input, bool> _choice;
    public optionalstep(func<input,bool> choice,ipipelinestep<input,output> step)
    {
        _choice = choice;
        _step = step;
    }
    public output process(input input)
    {
        return _choice(input) ? _step.process(input) : input;
    }
}

接着，我们定义一个新的功能类和支持条件判断的管道包装类，示例代码如下所示：

public class thisstepisoptional : ipipelinestep<double, double>
{
    public double process(double input)
    {
        return input * 10;
    }
}
public class pipelinewithoptionalstep : pipeline<double, double>
{
    public pipelinewithoptionalstep()
    {
        // 当输入参数大于 1024，执行 thisstepisoptional() 功能
        pipelinesteps = input => input.step(new optionalstep<double, double>(i => i > 1024, new thisstepisoptional()));
    }
}

最后，我们可以使用如下方式进行测试：

class program
{
    static void main(string[] args)
    {
        pipelinewithoptionalstep step = new pipelinewithoptionalstep();
        console.writeline(step.process(1024.1024));  // 输出 10241.024
        console.writeline(step.process(520.520));    // 输出 520.520
    }
}

事件监听

有的时候，我们希望在我们管道中执行的每一步，在开始和结束时，上层模块都能获得相应的事件通知，这个时候，我们就需要需改一下我们的管道包装器，使其支持这个需求。

首先，我们需要实现一个支持事件监听的具体功能类，示例代码代码如下所示：

public class eventstep<input, output> : ipipelinestep<input, output>
{
    public event action<input> oninput;
    public event action<output> onoutput;
    private readonly ipipelinestep<input, output> _innerstep;
    public eventstep(ipipelinestep<input,output> innerstep)
    {
        _innerstep = innerstep;
    }
    public output process(input input)
    {
        oninput?.invoke(input);
        var output = _innerstep.process(input);
        onoutput?.invoke(output);
        return output;
    }
}

然后，我们需要定义一个能够传递事件参数的管道包装器类，示例代码如下所示：

public static class pipelinestepeventextensions
{
    public static output step<input, output>(this input input, ipipelinestep<input, output> step, action<input> inputevent = null, action<output> outputevent = null)
    {
        if (inputevent != null || outputevent != null)
        {
            var eventdecorator = new eventstep<input, output>(step);
            eventdecorator.oninput += inputevent;
            eventdecorator.onoutput += outputevent;
            return eventdecorator.process(input);
        }
        return step.process(input);
    }
}

最后，上层调用就相对简单很多，示例代码如下所示：

public class doublestep : ipipelinestep<int, int>
{
    public int process(int input)
    {
        return input * input;
    }
}
class program
{
    static void main(string[] args)
    {
        var input = 10;
        console.writeline($"input value:{input}[{input.gettype()}]");
        var pipeline = new eventstep<int, int>(new doublestep());
        pipeline.oninput += i => console.writeline($"input value:{i}");
        pipeline.onoutput += o => console.writeline($"output value:{o}");
        var output = pipeline.process(input);
        console.writeline($"output value: {output} [{output.gettype()}]");
        console.writeline("\r\n");
        //补充：使用扩展方法进行调用
        console.writeline(10.step(new doublestep(), i => 
        {
            console.writeline($"input value:{i}");
        }, 
        o => 
        {
            console.writeline($"output value:{o}");
        }));
    }
}

输出结果如下图所示：

可迭代执行

可迭代执行是指当我们的管道中注册了多个功能模块时，不是一次性执行完所以的功能模块，而是每次只执行一个功能，后续功能会在下次执行该管道对应的代码块时接着执行，直到该管道中所有的功能模块执行完毕为止。该特性主要是通过 yield return 来实现。

首先，我们需要实现一个该特性的管道包装器类，示例代码如下所示：

public class loopstep<input, output> : ipipelinestep<ienumerable<input>, ienumerable<output>>
{
    private readonly ipipelinestep<input, output> _internalstep;
    public loopstep(ipipelinestep<input,output> internalstep)
    {
        _internalstep = internalstep;
    }
    public ienumerable<output> process(ienumerable<input> input)
    {
        foreach (input item in input)
        {
            yield return _internalstep.process(item);
        }
        //等价于下述代码段
        //return from input item in input
        //       select _internalstep.process(item);
    }
}

然后，定义一个支持上述类型的功能组装的扩展方法，示例代码如下所示：

public static class pipelinesteploopextensions
{
    public static ienumerable<output> step<input, output>(this ienumerable<input> input, ipipelinestep<input, output> step)
    {
        loopstep<input, output> loopdecorator = new loopstep<input, output>(step);
        return loopdecorator.process(input);
    }
}

最后，上层调用如下所示：

class program
{
    static void main(string[] args)
    {
        var list = enumerable.range(0, 10);
        foreach (var item in list.step(new doublestep()))
        {
            console.writeline(item);
        }
    }
}

总结

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前言

基础实现

依赖注入

条件式组装

事件监听

可迭代执行

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