C# 表達(dá)式樹 (Expression Trees) 詳解
表達(dá)式樹以樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示代碼，其中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一種表達(dá)式，比如方法調(diào)用和 x < y 這樣的二元運(yùn)算等。你可以對(duì)表達(dá)式樹中的代碼進(jìn)行編輯和運(yùn)算。這樣能夠動(dòng)態(tài)修改可執(zhí)行代碼、在不同數(shù)據(jù)庫(kù)中執(zhí)行 LINQ 查詢以及創(chuàng)建動(dòng)態(tài)查詢。表達(dá)式樹還能用于動(dòng)態(tài)語(yǔ)言運(yùn)行時(shí) (DLR) 以提供動(dòng)態(tài)語(yǔ)言和 .NET Framework 之間的互操作性。
Lambda 表達(dá)式創(chuàng)建表達(dá)式樹
若 lambda 表達(dá)式被分配給 Expression<TDelegate> 類型的變量，則編譯器可以發(fā)射代碼以創(chuàng)建表示該 lambda 表達(dá)式的表達(dá)式樹。C# 編譯器只能從表達(dá)式 lambda （或單行 lambda）生成表達(dá)式樹。
下列代碼示例使用關(guān)鍵字 Expression 創(chuàng)建表示 lambda 表達(dá)式：
using System.Linq.Expressions;
namespace AppExpressionTrees
{
internal class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Expression<Action<int>> actionExpression = n => Console.WriteLine(n);
Expression<Func<int, bool>> funcExpression1 = (n) => n < 0;
Expression<Func<int, int, bool>> funcExpression2 = (n, m) => n - m == 0;
Console.WriteLine(actionExpression);
Console.WriteLine(funcExpression1);
Console.WriteLine(funcExpression2);
}
}
}
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API 創(chuàng)建表達(dá)式樹
通過 API 創(chuàng)建表達(dá)式樹需要使用 Expression 類。下列代碼示例展示如何通過 API 創(chuàng)建表示 lambda 表達(dá)式 num => num == 0：
using System;
using System.Linq.Expressions;
class Program
{
static void Main()
{
// 通過 Expression 類創(chuàng)建表達(dá)式樹
// lambda：num => num == 0
ParameterExpression pExpression = Expression.Parameter(typeof(int)); // 參數(shù)：num
ConstantExpression cExpression = Expression.Constant(0); // 常量：0
BinaryExpression bExpression = Expression.MakeBinary(ExpressionType.Equal, pExpression, cExpression); // 表達(dá)式：num == 0
Expression<Func<int, bool>> lambda = Expression.Lambda<Func<int, bool>>(bExpression, pExpression); // lambda 表達(dá)式：num => num == 0
Console.WriteLine(lambda);
}
}
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另一個(gè)例子：創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的加法表達(dá)式
using System.Linq.Expressions;
namespace AppExpressionTrees
{
internal class Program
{
static void Main(string[] args)
{
// 創(chuàng)建表達(dá)式樹：num1 + num2
ParameterExpression num1 = Expression.Parameter(typeof(int), "num1");
ParameterExpression num2 = Expression.Parameter(typeof(int), "num2");
BinaryExpression addExpression = Expression.Add(num1, num2);
Expression<Func<int, int, int>> lambda = Expression.Lambda<Func<int, int, int>>(addExpression, num1, num2);
Console.WriteLine(lambda);
Console.WriteLine(lambda.Compile().Invoke(1, 2));
}
}
}
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解析表達(dá)式樹
下列代碼示例展示如何分解表示 lambda 表達(dá)式 num => num == 0 的表達(dá)式樹：
using System;
using System.Linq.Expressions;
class Program
{
static void Main()
{
Expression<Func<int, bool>> funcExpression = num => num == 0;
// 開始解析
ParameterExpression pExpression = funcExpression.Parameters[0]; // lambda 表達(dá)式參數(shù)
BinaryExpression body = (BinaryExpression)funcExpression.Body; // lambda 表達(dá)式主體：num == 0
Console.WriteLine($"解析：{pExpression.Name} => {body.Left} {body.NodeType} {body.Right}");
}
}另一個(gè)例子：解析加法表達(dá)式
using System;
using System.Linq.Expressions;
class Program
{
static void Main()
{
Expression<Func<int, int, int>> funcExpression = (num1, num2) => num1 + num2;
// 開始解析
ParameterExpression pExpression1 = funcExpression.Parameters[0]; // 第一個(gè)參數(shù)
ParameterExpression pExpression2 = funcExpression.Parameters[1]; // 第二個(gè)參數(shù)
BinaryExpression body = (BinaryExpression)funcExpression.Body; // lambda 表達(dá)式主體：num1 + num2
Console.WriteLine($"解析：{pExpression1.Name} + {pExpression2.Name} => {body.Left} {body.NodeType} {body.Right}");
}
}
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表達(dá)式樹的永久性
表達(dá)式樹應(yīng)具有永久性（類似字符串）。這意味著如果你想修改某個(gè)表達(dá)式樹，則必須復(fù)制該表達(dá)式樹然后替換其中的節(jié)點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的表達(dá)式樹。你可以使用表達(dá)式樹訪問者遍歷現(xiàn)有表達(dá)式樹。第七節(jié)介紹了如何修改表達(dá)式樹。
編譯表達(dá)式樹
Expression<TDelegate> 類型提供了 Compile 方法以將表達(dá)式樹表示的代碼編譯成可執(zhí)行委托。
using System;
using System.Linq.Expressions;
class Program
{
static void Main()
{
// 創(chuàng)建表達(dá)式樹
Expression<Func<string, int>> funcExpression = msg => msg.Length;
// 表達(dá)式樹編譯成委托
var lambda = funcExpression.Compile();
// 調(diào)用委托
Console.WriteLine(lambda("Hello, World!"));
// 語(yǔ)法簡(jiǎn)化
Console.WriteLine(funcExpression.Compile()("Hello, World!"));
}
}
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另一個(gè)例子：編譯加法表達(dá)式
using System;
using System.Linq.Expressions;
class Program
{
static void Main()
{
// 創(chuàng)建表達(dá)式樹：num1 + num2
ParameterExpression num1 = Expression.Parameter(typeof(int), "num1");
ParameterExpression num2 = Expression.Parameter(typeof(int), "num2");
BinaryExpression addExpression = Expression.Add(num1, num2);
Expression<Func<int, int, int>> lambda = Expression.Lambda<Func<int, int, int>>(addExpression, num1, num2);
// 編譯表達(dá)式樹
var compiledLambda = lambda.Compile();
// 調(diào)用委托
Console.WriteLine(compiledLambda(3, 4)); // 輸出：7
}
}
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執(zhí)行表達(dá)式樹
執(zhí)行表達(dá)式樹可能會(huì)返回一個(gè)值，也可能僅執(zhí)行一個(gè)操作（例如調(diào)用方法）。
using System;
using System.Linq.Expressions;
class Program
{
static void Main()
{
constint n = 1;
constint m = 2;
// 待執(zhí)行的表達(dá)式樹
BinaryExpression bExpression = Expression.Add(Expression.Constant(n), Expression.Constant(m));
// 創(chuàng)建 lambda 表達(dá)式
Expression<Func<int>> funcExpression = Expression.Lambda<Func<int>>(bExpression);
// 編譯 lambda 表達(dá)式
Func<int> func = funcExpression.Compile();
// 執(zhí)行 lambda 表達(dá)式
Console.WriteLine($"{n} + {m} = {func()}");
}
}另一個(gè)例子：執(zhí)行字符串長(zhǎng)度表達(dá)式
using System;
using System.Linq.Expressions;
class Program
{
static void Main()
{
// 創(chuàng)建表達(dá)式樹：msg => msg.Length
ParameterExpression msg = Expression.Parameter(typeof(string), "msg");
MemberExpression length = Expression.Property(msg, "Length");
Expression<Func<string, int>> lambda = Expression.Lambda<Func<string, int>>(length, msg);
// 編譯表達(dá)式樹
var compiledLambda = lambda.Compile();
// 執(zhí)行 lambda 表達(dá)式
Console.WriteLine(compiledLambda("Hello, World!")); // 輸出：13
}
}
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修改表達(dá)式樹
該類繼承 ExpressionVisitor 類，通過 Visit 方法間接調(diào)用 VisitBinary 方法將 != 替換成 ==?；惙椒?gòu)造類似于傳入的表達(dá)式樹的節(jié)點(diǎn)，但這些節(jié)點(diǎn)將其子目錄樹替換為訪問器遞歸生成的表達(dá)式樹。
using System;
using System.Linq.Expressions;
class Program
{
static void Main()
{
Expression<Func<int, bool>> funcExpression = num => num == 0;
Console.WriteLine($"Source: {funcExpression}");
var visitor = new NotEqualExpressionVisitor();
var expression = visitor.Visit(funcExpression);
Console.WriteLine($"Modify: {expression}");
}
publicclass NotEqualExpressionVisitor : ExpressionVisitor
{
public Expression Visit(BinaryExpression node)
{
return VisitBinary(node);
}
protected override Expression VisitBinary(BinaryExpression node)
{
return node.NodeType == ExpressionType.Equal
? Expression.MakeBinary(ExpressionType.NotEqual, node.Left, node.Right) // 重新弄個(gè)表達(dá)式：用 != 代替 ==
: base.VisitBinary(node);
}
}
}
圖片
另一個(gè)例子：將加法修改為乘法
using System;
using System.Linq.Expressions;
class Program
{
static void Main()
{
Expression<Func<int, int, int>> funcExpression = (num1, num2) => num1 + num2;
Console.WriteLine($"Source: {funcExpression}");
var visitor = new MultiplyExpressionVisitor();
var expression = visitor.Visit(funcExpression);
Console.WriteLine($"Modify: {expression}");
}
publicclass MultiplyExpressionVisitor : ExpressionVisitor
{
public Expression Visit(BinaryExpression node)
{
return VisitBinary(node);
}
protected override Expression VisitBinary(BinaryExpression node)
{
return node.NodeType == ExpressionType.Add
? Expression.MakeBinary(ExpressionType.Multiply, node.Left, node.Right) // 重新弄個(gè)表達(dá)式：用 * 代替 +
: base.VisitBinary(node);
}
}
}總結(jié)
以上內(nèi)容詳細(xì)介紹了 C# 中表達(dá)式樹的相關(guān)知識(shí)，并提供了具體的示例代碼，以幫助開發(fā)者更深入地理解這一重要概念。表達(dá)式樹是 C# 中一種強(qiáng)大的工具，它允許開發(fā)者以樹形結(jié)構(gòu)表示代碼邏輯，從而可以在運(yùn)行時(shí)對(duì)代碼進(jìn)行分析、修改甚至動(dòng)態(tài)生成。這種特性在許多場(chǎng)景下非常有用，例如構(gòu)建動(dòng)態(tài)查詢（如 LINQ to SQL）、實(shí)現(xiàn)自定義解析器或優(yōu)化運(yùn)行時(shí)性能。
希望這些內(nèi)容能夠?yàn)槟闾峁┣逦闹笇?dǎo)，幫助你更好地理解和使用表達(dá)式樹。無(wú)論你是初學(xué)者還是有一定經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)者，都可以從中獲得啟發(fā)，并進(jìn)一步探索表達(dá)式樹在各種復(fù)雜場(chǎng)景中的潛力。通過不斷實(shí)踐和嘗試，相信你會(huì)更加熟練地運(yùn)用這一強(qiáng)大工具，提升代碼的靈活性和效率。
