C#函数式编程中的缓存技术详解

缓存技术

该节我们将分成两部分来讲解，第一部分为


预计算


，第二部分则为


缓存


。缓存这个技术对应从事开发的人员来说是非常熟悉的，从页面缓存到数据库缓存无处不在，而其最重要的特点就是在第一次查询后将数据缓存，在以后的查询过程中就无需重新计算而直接从内存中将结果返回，大大提高了性能，而我们这里的缓存则集中运用在函数上。

预计算

可能一些人并不能立马理解这个词的含义，所以我们就简单的从生活例子出发介绍一下。很多人在工作中一定会这样做事，比如上级吩咐了你一件事，但是这件事的后半部分要等另一个同事做好之后把对应的材料给你你才能完成。但是我们不可能一直等到那个同事完成了把材料交给我们，我们才去做这件事。而是会将这件事的前半部分做好，那么剩下的只要那个同事完成并交给我们，我们就直接完成下半部分就可以了。同理这样的思维也可以用在软件开发中，比如下面这个函数：

函数内部是利用a的值计算出c，最后再将c和b相加得出最后的结果。当然这个例子并不能完整的体现预计算的特点，但能够让我们理解预计算是如何实现的。假设这里的

是一个耗时操作，并且实际使用中会出现a的值不变动，但是b的值会经常变动的情况，但是每次调用这个函数都会重新根据a计算出c，那么我们就需要一定的方式改变这个格局，这里我们可以先尝试采用部分应用（这里介绍一个函数式开发的库->


PortableFCSLib


，可以在NuGet中安装或者到他的github网站上下载：

）：

这里我们的意图是只会计算一次C的值，而不是两次，然后我们看看最终的输出结果：

还是计算了两次的C，理由很简单，因为部分应用仅仅只是利用闭包将参数保存了起来，只有所有参数传递完成后才会调用这个函数，并达不到预计算的效果，所以我们就需要新的方式来完成，下面我们修改


DoSomeThing


函数：

这里我们可以看到参数只剩下了a，而返回值则变成了函数，这样才执行第一次这个方法之后将会计算出c值，由于闭包的缘故c的值就会被保存。下面我们来看一看如何调用：

最后看看是不是只计算了一次C的值：

这样我们就大功告成了，当然笔者在这里还要再提一下，这些例子仅仅只是为了读者能够快速的理解，在实际的运用中还要读者能够根据情况灵活多变，比如这个函数接收三个参数，但是前两个不经常变动，但是第三个却经常变动，并且函数的内部是根据前两个参数计算得出一个结果，而返回值需要根据第三个参数和这个计算后的值得出，那么我们就可以返回但一个参数的函数，而函数本身需要接收两个。

缓存

利用该技术之前我们需要理解几个名词，就是


引用透明


和


函数纯度


。这两者都是指在我们调用一个函数时，无论任何时候，只要传递的参数一致，返回的结果都应该是一致的。这样的函数我们才能够利用缓存。首先我们先定义一个函数，而这个函数将会是我们后面需要缓存的函数：

然后我们修改函数使之能够进行缓存：

这里我们可以看到我们利用了字典来对这个函数进行了缓存。函数首先从字典中判断是否存在参数a的key，如果存在直接返回计算后的结果，如果不存在则计算该结果，并保存到字段中，这样我们就实现了一个简单的缓存。下面我们来看看最终的结果，是不是确实使用了缓存：

当传递参数10的时候，因为缓存中没有所以进行了缓存，参数5也是一样，而下一行再次计算10的时候就没有进行计算而是直接从字典中返回了对应的结果。但是上面这种方式还存在一个问题，如果存在多个函数都需要缓存，则这个类会存在多个字段类型的字段（一些人可能会问为什么不能共享一个字典，这样你就要在key的命名上花费一定的功夫，而且很容易造成重复），那么我们就需要一种能够不污染类的方式来进行缓存，这里我们先介绍如何使用


FCSLib


中的


Memoizer


实现内部缓存：

这里我们可以看到


Memoizer


公开了一个


GetMemory


的静态方式用来获取对应的缓存对象，然后利用这个返回的对象我们就可以进行缓存，最终的效果跟之前的是一样的，我们可以看看最后控制台输出的结果：

如果你不知道该为这个函数起什么名字，我们可以利用反射来获取这个函数的全称，比如下面这个修改之后的


DoSomeThing


函数就是利用了这个方式：

当然除了手动修改函数的方式，我们也可以采用自动化来使没有利用缓存的函数使用缓存技术，下面我们来写一个函数来实现这个功能：

我们可以看到红色框住的部分，其实就是利用了闭包，在这个函数之上又嵌套了一层函数，这样我们就能够进行缓存了，只有在缓存中不存在时才调用函数求值，但是面对多个参数的情况，上面这些无法正常缓存了。那么我们就需要使用深度缓存，而所谓的深度缓存就是利用字典套字典来进行保存的，比如下面这个函数，需要传递两个参数，那么对应的缓存就是：

然后就是Main中进行调用：

最后我们可以看到下面的这个结果，第一次调用


sfunc(10,5)


时建立了缓存，再第二次传递同样的参数调用后可以看到控制台并没有输出对应的字符串：

当然这样字典的嵌套在参数很多的情况下，会显得很复杂，并且也会消耗很多内存。但是当前也没有非常好的解决方案，下面我们还可以利用之前写的


Cache


函数来实现上面这种多个参数的缓存：

重点是我们红色框住的那部分，具体的嵌套就是第一个字典的key是第一个参数，value就是下个函数的引用，当然这个函数是经过Cache包装之后的，那么自然在调用value的函数之后自然也起到了缓存作用。