C#中访问LINQ查询变量为何会重复执行查询触发多次枚举？

如下代码中为何Square()方法会被重复调用？我推测values被重复计算，但为什么会出现该现象？我们此前已经获取了values，为何查询逻辑会被再次触发？编译器又为什么会提示"Possible multiple enumeration"警告？

示例代码 #

static IEnumerable<int> Square(IEnumerable<int> a)
{
    foreach(var r in a)
    {
        Console.WriteLine($"From Square {r * r}");
        yield return r * r;
    }
}
class Wrap
{
    private static int init = 0;
    public int Value
    {
        get { return ++init; }
    }
}

static void Main(string[] args)
{
    var w = new Wrap();
    var wraps = new Wrap[3];
    for(int i=0; i<wraps.Length; i++)
    {
        wraps[i] = w;
    }

    var values = wraps.Select(x => x.Value);
    var results = Square(values);
    int sum = 0;
    int count = 0;
    foreach(var r in results)
    {
        count++;
        sum += r;
    }
    Console.WriteLine("Count {0}", count);
    Console.WriteLine("Sum {0}", sum);

    Console.WriteLine("Count {0}", results.Count());
    Console.WriteLine("Sum {0}", results.Sum());
}

运行结果 #

From Square 1
From Square 4
From Square 9
Count 3
Sum 14
From Square 16
From Square 25
From Square 36
Count 3
From Square 49
From Square 64
From Square 81
Sum 194

核心原因是C#中IEnumerable<T>的**延迟执行（懒加载）**特性，以及迭代器的工作机制：

• 所有返回IEnumerable<T>的逻辑，包括LINQ的Select()这类投影方法、用yield return实现的Square()方法，在赋值时不会执行任何内部逻辑，只是保存了"如何生成序列"的规则。只有当你主动枚举序列时（比如foreach遍历、调用Count()/Sum()这类会触发全量遍历的LINQ方法），才会从头开始执行完整的迭代逻辑，生成序列元素。
• 上述代码中一共对results序列发起了3次独立的枚举：
  • 第一次：手写foreach循环遍历results累加count和sum
  • 第二次：调用results.Count()获取元素数量
  • 第三次：调用results.Sum()计算元素总和
    每次枚举都会从头走完整个迭代链路：先进入Square()的迭代逻辑遍历入参，遍历入参values时又会触发Select()的投影逻辑，每次都会重新调用Wrap.Value的getter，让静态字段init持续自增，因此会看到Square()被重复执行，每次输出的平方值都不一样。
• 编译器提示"Possible multiple enumeration"（可能存在多次枚举），正是因为检测到对同一个IEnumerable实例做了多次枚举操作：这种写法一方面如果迭代逻辑带副作用（比如代码里Value的getter会修改静态变量），会出现结果不一致的问题；另一方面如果迭代逻辑是高成本操作（比如查询数据库、读取远程接口），重复枚举会带来不必要的性能损耗。

修复方式 #

如果需要避免重复枚举，只需要在序列第一次生成时，用ToList()或ToArray()将迭代结果固化为内存中的实际集合即可，例如：

// 执行完这行时，Square和Select的逻辑已经跑完，结果存在List中
var results = Square(values).ToList();

后续无论多少次遍历results，都是直接读取内存中已经计算好的值，不会重复触发迭代逻辑，执行结果也会保持一致。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Drompai