C# Linq Join 详解

一、Linq Join基础介绍

Linq Join是一种常用的Linq查询方法之一，主要用于在两个集合中根据条件联接元素。Linq Join可以将两个集合中的元素以特定条件进行匹配，从而得到一个新的结果集合。

例如，我们可以使用Linq Join将两个学生集合中的成绩进行匹配，得到一张包含学生名字和成绩的新表。下面是一个基本的Linq Join用法的示例：

    List studentList = new List()
    {
        new Student() { Name = "Tom", Grade = "Grade 1" },
        new Student() { Name = "Jerry", Grade = "Grade 2" },
        new Student() { Name = "Mary", Grade = "Grade 1" },
        new Student() { Name = "Bob", Grade = "Grade 3" }
    };

    List scoreList = new List()
    {
        new Score() { Name = "Tom", Grade = 90 },
        new Score() { Name = "Jerry", Grade = 80 },
        new Score() { Name = "Mary", Grade = 85 },
        new Score() { Name = "Bob", Grade = 95 }
    };

    var queryResult = from student in studentList
                      join score in scoreList on student.Name equals score.Name
                      select new { Name = student.Name, Grade = score.Grade };

    foreach (var item in queryResult)
    {
        Console.WriteLine("Name:{0}, Grade:{1}", item.Name, item.Grade);
    }

上述示例中，我们定义了两个实体类Student和Score，分别代表学生和成绩。然后我们定义了两个列表studentList和scoreList存储学生和成绩信息。在使用Linq Join时，我们以学生姓名作为条件进行匹配，从而得到一个包含学生姓名和成绩的新结果集queryResult。最后我们输出新结果集中的元素。

二、Join的几种类型

除了上述基本用法外，Linq Join还有几种不同类型，分别是Inner Join、Left Join、Right Join和Full Join。

1. Inner Join

Inner Join是Linq Join的默认类型，它只返回两个集合中匹配的元素。如果一个元素在一个集合中找不到对应元素，则不会被包含在结果集中。

以下代码是Inner Join的示例：

    var innerJoinResult = from student in studentList
                          join score in scoreList on student.Name equals score.Name
                          select new { Name = student.Name, Grade = score.Grade };

2. Left Join

Left Join会返回第一个集合的所有元素，而不仅仅是匹配的元素。如果一个元素在第二个集合中找不到对应元素，则其对应的值为null。以下是Left Join示例：

    var leftJoinResult = from student in studentList
                         join score in scoreList on student.Name equals score.Name into gj
                         from subScore in gj.DefaultIfEmpty()
                         select new { Name = student.Name, Grade = subScore?.Grade };

3. Right Join

Right Join是Left Join的反向操作，它返回第二个集合的所有元素，而不是第一个集合的所有元素。以下是Right Join示例：

    var rightJoinResult = from score in scoreList
                          join student in studentList on score.Name equals student.Name into gj
                          from subStudent in gj.DefaultIfEmpty()
                          select new { Name = subStudent?.Name, Grade = score.Grade };

4. Full Join

Full Join返回所有的元素，除了完全没有匹配的元素以外，没有匹配的元素对应的值为null。以下是Full Join示例：

    var fullJoinResult = from student in studentList
                         join score in scoreList on student.Name equals score.Name into gj
                         from subScore in gj.DefaultIfEmpty()
                         select new { Name = student?.Name, Grade = subScore?.Grade };

三、Join的性能优化

Linq Join可以处理不同大小的集合，但是当集合的大小差别很大时，Join的性能可能会受到影响。

为了进一步了解Join的性能问题，我们可以分别测试以下几种情况：

1. List和Dictionary的Join

对于如下代码：

    List list = Enumerable.Range(0, 10000).ToList();
    Dictionary dict = Enumerable.Range(5000, 10000).ToDictionary(key => key);

    var res1 = from l in list
               join d in dict on l equals d.Key
               select d.Value;

我们可以看到结果res1是一个IEnumerable的集合。

可以发现，在List和Dictionary进行Join时，Linq使用了Hash Join算法，这种算法能够在O(n)的时间复杂度下完成Join操作，比Nest Join算法快得多。其原理为：首先将需要Join的两个表按照Join条件分别进行Hash映射，然后判断两个表中Hash值相等的记录是否满足Join条件。

2. Dictionary和Dictionary的Join

对于如下代码：

    Dictionary dict1 = Enumerable.Range(0, 10000).ToDictionary(key => key);
    Dictionary dict2 = Enumerable.Range(5000, 10000).ToDictionary(key => key);

    var res2 = from d1 in dict1
               join d2 in dict2 on d1.Key equals d2.Key
               select new { d1.Key, Value1 = d1.Value, Value2 = d2.Value };

我们可以看到结果res2是一个IEnumerable的集合。

可以发现，在Dictionary和Dictionary进行Join时，Linq使用了Nested Loop Join算法，这种算法的时间复杂度为O(n*m)。当m和n的大小差距很大时，Join的性能会变得很差。

3. List和List的Join

对于如下代码：

    List list1 = Enumerable.Range(0, 10000).ToList();
    List list2 = Enumerable.Range(5000, 10000).ToList();

    var res3 = from l1 in list1
               join l2 in list2 on l1 equals l2
               select l1;

我们可以看到结果res3是一个IEnumerable的集合。

可以发现，当List和List进行Join时，Linq使用了简单的Nested Loop Join算法。如果两个集合中存在重复元素，会增加Join操作的时间复杂度，因此建议在进行Join时，将重复元素进行去重。

四、Join的复杂实例

以下是一个较为复杂实例的代码示例，其目的是通过Join操作得到两个表的笛卡尔积和总和：

    List list1 = Enumerable.Range(0, 10).ToList();
    List list2 = Enumerable.Range(10, 10).ToList();

    var query = from l1 in list1
                from l2 in list2
                join l3 in list2 on l1 equals l3 into gj
                from subL3 in gj.DefaultIfEmpty()
                select new
                {
                    L1 = l1,
                    L2 = l2,
                    L3 = subL3
                };

    var cartesianProd = query.Count();
    var sum = query.Sum(x => x.L1 + x.L2 + (x.L3 == null ? 0 : x.L3));

五、总结

本文详细介绍了Linq Join的基础概念、几种Join类型、性能问题和复杂实例，希望读者能够掌握Linq Join的使用，并在实际开发中灵活运用。