如何用LINQ正确初始化C#中的List<List<T>>？问题排查与优化

问题背景 #

近期编写C#代码时，尝试用LINQ创建List<List<Bar>>类型的嵌套列表（Bar为自定义struct），运行后所有行内容完全相同，不符合预期。推测原因是外层Enumerable.Repeat重复的是同一个List<T>的引用（List<T>是引用类型），而内层Repeat因Bar是值类型可生成独立实例。现咨询两个问题：

1. 上述问题解释是否正确？
2. 如何不使用显式嵌套循环，初始化具有独立行的List<List<T>>？

原代码示例：

namespace Foo
{
    public struct Bar
    {
        public float val;

        public Bar(float val) {  this.val = val; }  
    }

    internal class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            int rows = 3;
            int cols = 4;

            List<List<Bar>> mat = Enumerable.Repeat(
                   Enumerable.Repeat(default(Bar), cols).ToList(),
                   rows
               ).ToList();
            
            foreach(var i in Enumerable.Range(0, rows * cols))
            {
                int row = i / cols;
                int col = i % cols;
                mat[row][col] = new Bar((float)i);
            }

            foreach (var row in Enumerable.Range(0, rows))
            {
                foreach (var col in Enumerable.Range(0, cols))
                {
                    Console.Write(mat[row][col].val + " ");
                }
                Console.Write("\n");
            }
        }
    }
}

原输出结果：

8 9 10 11
8 9 10 11
8 9 10 11

问题解答 #

1. 问题解释是否正确？ #

完全正确。

• Enumerable.Repeat的行为是：对于值类型，会重复生成独立的实例；对于引用类型，只会重复返回同一个对象的引用。
• 外层Repeat传入的是Enumerable.Repeat(default(Bar), cols).ToList()的结果——一个List<Bar>实例（引用类型），所以rows次重复返回的都是这个列表的引用，所有行指向的是同一个底层列表。
• 内层Repeat处理的是值类型Bar，每次都会生成新的Bar实例，所以内层列表的元素是独立的，但由于所有行共享同一个内层列表实例，最后一次赋值（i=8到11）会覆盖之前的内容，导致所有行显示相同结果。

2. 不使用显式嵌套循环初始化独立行的方法 #

用Enumerable.Range配合Select替代外层的Enumerable.Repeat，让每一行都通过lambda表达式创建新的List<Bar>实例：

List<List<Bar>> mat = Enumerable.Range(0, rows)
    .Select(_ => Enumerable.Repeat(default(Bar), cols).ToList())
    .ToList();

修改后的代码运行后，输出结果符合预期：

0 1 2 3 
4 5 6 7 
8 9 10 11 

原理是：Enumerable.Range(0, rows)生成0到rows-1的序列，Select中的每个lambda表达式都会执行一次Enumerable.Repeat(...)并调用ToList()，每次都会创建全新的List<Bar>实例，因此所有行都是独立的。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者jwezorek