曲速引擎 发表于 2024-3-27 20:25:47

Csharp中表达式树

Csharper中的表达式树

这节课来了解一下表示式树是什么?
在C#中,表达式树是一种数据结构,它可以表示一些代码块,如Lambda表达式或查询表达式。表达式树使你能够查看和操作数据,就像你可以查看和操作代码一样。它们通常用于创建动态查询和解析表达式。
一、认识表达式树

为什么要这样说?它和委托有什么区别?
创建一个简单的表达式树和委托
public class ExpressionDemo
{

      void Show()
      {
          Func<int, bool> fun1 = x => x > 10;
          Expression<Func<int, bool>> expression1 = x => x > 10;
      }
}然后f12转到定义
public sealed class Expression<TDelegate> : LambdaExpression尝试用大括号定义一个表达式树

debug运行后,用vs查看一下定义的表达式树对象.

发现表达式树一些特点:

[*]可以通过lambda表达式来声明
[*]是一个泛型类的接口,类型参数是一个委托
[*]Expression声明中,不能包含大括号.
[*]通过VS展开查看,包含body(lamubda的主体部分),描述了参数的名称和类型,描述了返回值的名称和类型; 展开body, body包含 左边是什么,右边是什么,式子的操作类型是什么.
结论:
表达式树,是一个计算式的描述,按照常规的计算逻辑,通过类的属性来进行描述多个节点之间的关系; 形似于一个树形结构----二叉树; 二叉树不断地去分解,可以得到这个式子中的任何一个独立的元素;----是一个二叉树,是一个数据结构; 如果需要可以把这个结构不断的拆解;得到中间的最小元素;在需要的时候,也可以通过每个元素,组装起来;
委托是一个类,而表达式树是一个二叉树的数据结构。
为了更加深入的了解表达式树,这里也使用ilspy进行反编译,以便于更加了解表达式树的本质.
这里使用一个比较复杂的表达式树的语句来方便我们去理解
Expression<Func<int ,int ,int>> expression2= (x, y) => x *y+2+3;
优化一下这段代码
//定义2个变量
ParameterExpression parameterExpression = Expression.Parameter(typeof(int), "x");
ParameterExpression parameterExpression2 = Expression.Parameter(typeof(int), "y");
//定义常量
var contact1 = Expression.Constant(2, typeof(int));
var contact2= Expression.Constant(3, typeof(int));
//定义表达式 x*y
var MultiplyXy= Expression.Multiply(parameterExpression, parameterExpression2);
//定义表达式 x*y的结果+2
var add1 = Expression.Add(MultiplyXy, contact1);

//定义表达式 x*y+2的结果+3
var add2 = Expression.Add(add1, contact2);
//定义最终的lambda表达式
Expression<Func<int, int, int>> expression2 = Expression.Lambda<Func<int, int, int>>(add2, new ParameterExpression
{
    parameterExpression,
    parameterExpression2
});如图所示的解析:

已经将相应的代码粘贴到上方,就是类似二叉树结构的因式分解,转换成为最小的子问题,最后解决一个需要解决的大问题。
二、动态拼装Expression

我们自己去拼装一个表达式树去理解表达式树的秘密.
首先创建一个People类
public class People
{
    public int Age { get; set; }
    public string Name { get; set; }
    public int Id;
}下面来拼接一个比较复杂的表达式
Expression<Func<People, bool>> predicate = c => c.Id == 10 && c.Name.ToString().Equals("张三");对应的表达式树的代码
//定义一个People类型的参数
ParameterExpression parameterExpression = Expression.Parameter(typeof(People), "c");
//获取People的Id属性
PropertyInfo? propertyId = typeof(People).GetProperty("Id");
//定义10这个常量
ConstantExpression constantExpression = Expression.Constant(10, typeof(int));               
//定义c.Id>10这个表达式   
BinaryExpression left =Expression.GreaterThan(Expression.Property(parameterExpression, propertyId), constantExpression);
//获取People的Name属性
PropertyInfo? propertyName = typeof(People).GetProperty("Name");
//c.Name
MemberExpression memName = Expression.Property(parameterExpression, propertyName);
//to string方法
MethodInfo? methodtostring=typeof(string).GetMethod("ToString",new Type);
//调用tostring方法
MethodCallExpression instance =Expression.Call(memName, methodtostring,Array.Empty<Expression>());
//获取equals方法
MethodInfo? methodEquals = typeof(string).GetMethod("Equals", new Type[] { typeof(string) });
//定义c.Name.ToString().Equals("张三")这个表达式
MethodCallExpression right = Expression.Call(instance, methodEquals, Expression.Constant("张三", typeof(string)));
//定义c.Age<25这个表达式
PropertyInfo? propertyAge = typeof(People).GetProperty("Age");
ConstantExpression constantExpression2 = Expression.Constant(25, typeof(int));
BinaryExpression right2 = Expression.LessThan(Expression.Property(parameterExpression, propertyAge), constantExpression2);
//定义c.Id>10 && c.Name.ToString().Equals("张三") && c.Age<25这个表达式
BinaryExpression and1 = Expression.AndAlso(left, right);
BinaryExpression and2 = Expression.AndAlso(and1, right2);
//定义最终的lambda表达式
Expression<Func<People, bool>> expression = Expression.Lambda<Func<People, bool>>(and2, new ParameterExpression
{
      parameterExpression
});
//编译表达式
Func<People, bool> func = expression.Compile();
//调用表达式
People people = new People()
{
      Id = 11,
      Name = "张三",
      Age = 20
};
Console.WriteLine(func(people));拼接后的结果
Expression<Func<People, bool>> expression2 = p => p.Id == 10 && p.Name.Equals("阳光下的微笑");例子2
//按关键字是否存在来拼装;
Expression<Func<People, bool>> exp = p=> true;
Console.WriteLine("用户输入个名称,为空就跳过");
string name = Console.ReadLine();
if (!string.IsNullOrWhiteSpace(name))
{
    //exp = p => p.Name.Contains(name);
    exp= exp.And(c=>c.Name.Contains(name));
}
Console.WriteLine("用户输入个最小年纪,为空就跳过");
string age = Console.ReadLine();
if (!string.IsNullOrWhiteSpace(age) && int.TryParse(age, out int iAge))
{
   //exp = p => p.Age > iAge;
    exp = exp.And(p => p.Age > iAge);
}现在使用表达式树进行链接
Expression lambda1 = x => x.Age > 5; Expression lambda2 = x => x.Id > 5; //按关键字是否存在来拼装;
Expression<Func<People, bool>> exp = p=> true;
Console.WriteLine("用户输入个名称,为空就跳过");
string name = Console.ReadLine();
if (!string.IsNullOrWhiteSpace(name))
{
    //exp = p => p.Name.Contains(name);
    exp= exp.And(c=>c.Name.Contains(name));
}
Console.WriteLine("用户输入个最小年纪,为空就跳过");
string age = Console.ReadLine();
if (!string.IsNullOrWhiteSpace(age) && int.TryParse(age, out int iAge))
{
   //exp = p => p.Age > iAge;
    exp = exp.And(p => p.Age > iAge);
}; Expression lambda3 = lambda1.And(lambda2); //且   两个都满足,通过&&链接 Expression lambda4 = lambda1.Or(lambda2);//或   两个只要有一个就可以通过或者来链接||Expression lambda5 = lambda1.Not();//非这里实现了常见的且、或、非逻辑运算符的表达式
Expression<Func<People, bool>> lambda1 = x => x.Age > 5;
Expression<Func<People, bool>> lambda2 = x => x.Id > 5;

//Expression<Func<People, bool>> newExpress = x => x.Age > 5 && x.Id > 5;

Expression<Func<People, bool>> lambda3 = lambda1.And(lambda2); //且   两个都满足,通过&&链接

Expression<Func<People, bool>> lambda4 = lambda1.Or(lambda2);//或   两个只要有一个就可以通过或者来链接||
Expression<Func<People, bool>> lambda5 = lambda1.Not();//非现在有一个新的需求,需要把People拷贝到NewPeople这个新的类,来看下效率怎么样?
People和PeopleCopy类
public static class ExpressionExtend
{
   /// <summary>
   /// 合并表达式 expr1 AND expr2
   /// </summary>
   /// <typeparam name="T"></typeparam>
   /// <param name="expr1"></param>
   /// <param name="expr2"></param>
   /// <returns></returns>
   public static Expression<Func<T, bool>> And<T>(this Expression<Func<T, bool>> expr1, Expression<Func<T, bool>> expr2)
   {
         //return Expression.Lambda<Func<T, bool>>(Expression.AndAlso(expr1.Body, expr2.Body), expr1.Parameters);

         ParameterExpression newParameter = Expression.Parameter(typeof(T), "c");
         NewExpressionVisitor visitor = new NewExpressionVisitor(newParameter);
         var left = visitor.Replace(expr1.Body);
         var right = visitor.Replace(expr2.Body); //为了能够生成一个新的表达式目录树

         var body = Expression.And(left, right);
          return Expression.Lambda<Func<T, bool>>(body, newParameter);

   }
   /// <summary>
   /// 合并表达式 expr1 or expr2
   /// </summary>
   /// <typeparam name="T"></typeparam>
   /// <param name="expr1"></param>
   /// <param name="expr2"></param>
   /// <returns></returns>
   public static Expression<Func<T, bool>> Or<T>(this Expression<Func<T, bool>> expr1, Expression<Func<T, bool>> expr2)
   {

         ParameterExpression newParameter = Expression.Parameter(typeof(T), "c");
         NewExpressionVisitor visitor = new NewExpressionVisitor(newParameter);

         var left = visitor.Replace(expr1.Body);
         var right = visitor.Replace(expr2.Body);
         var body = Expression.Or(left, right);
         return Expression.Lambda<Func<T, bool>>(body, newParameter);
   }
   public static Expression<Func<T, bool>> Not<T>(this Expression<Func<T, bool>> expr)
   {
         var candidateExpr = expr.Parameters;
         var body = Expression.Not(expr.Body);

         return Expression.Lambda<Func<T, bool>>(body, candidateExpr);
   }
}

internal class NewExpressionVisitor : ExpressionVisitor
{
    public ParameterExpression _NewParameter { get; private set; }
    public NewExpressionVisitor(ParameterExpression param)
    {
      this._NewParameter = param;
    }
    public Expression Replace(Expression exp)
    {
      return this.Visit(exp);
    }
    protected override Expression VisitParameter(ParameterExpression node)
    {
      return this._NewParameter;
    }
}直接赋值的方式
public class People
{
   public int Age { get; set; }
   public string Name { get; set; }
   public int Id;
}
/// <summary>
/// 实体类Target
/// PeopleDTO
/// </summary>
public class PeopleCopy
{

   public int Age { get; set; }
   public string Name { get; set; }
   public int Id;
}反射赋值的方式
PeopleCopy peopleCopy1 = new PeopleCopy()
{
   Id = people.Id,
   Name = people.Name,
   Age = people.Age
};json序列化的方式
public class ReflectionMapper
{
   /// <summary>
   /// 反射
   /// </summary>
   /// <typeparam name="TIn"></typeparam>
   /// <typeparam name="TOut"></typeparam>
   /// <param name="tIn"></param>
   /// <returns></returns>
   public static TOut Trans<TIn, TOut>(TIn tIn)
   {
         TOut tOut = Activator.CreateInstance<TOut>();
         foreach (var itemOut in tOut.GetType().GetProperties())
         {
             var propName = tIn.GetType().GetProperty(itemOut.Name);
             itemOut.SetValue(tOut, propName.GetValue(tIn));
         }

         foreach (var itemOut in tOut.GetType().GetFields())
         {
             var fieldName = tIn.GetType().GetField(itemOut.Name);
             itemOut.SetValue(tOut, fieldName.GetValue(tIn));
         }
         return tOut;
   }
}
PeopleCopy peopleCopy2= ReflectionMapper.Trans<People, PeopleCopy>(people);表达式目录树的方式
public class SerializeMapper
{
    /// <summary>
    /// 序列化反序列化方式
    /// </summary>
    /// <typeparam name="TIn"></typeparam>
    /// <typeparam name="TOut"></typeparam>
    public static TOut Trans<TIn, TOut>(TIn tIn)
    {
      string strTin = JsonConvert.SerializeObject(tIn);
      return JsonConvert.DeserializeObject<TOut>(strTin);
    }
}
PeopleCopy peopleCopy3 = SerializeMapper.Trans<People, PeopleCopy>(people);表达式+反射+泛型类的方式
public class ExpressionMapper
{
    /// <summary>
    /// 字典缓存--hash分布
    /// </summary>
    private static Dictionary<string, object> _Dic = new Dictionary<string, object>();

    /// <summary>
    /// 字典缓存表达式树
    /// </summary>
    /// <typeparam name="TIn"></typeparam>
    /// <typeparam name="TOut"></typeparam>
    /// <param name="tIn"></param>
    /// <returns></returns>
    public static TOut Trans<TIn, TOut>(TIn tIn)
    {
      string key = string.Format("funckey_{0}_{1}", typeof(TIn).FullName, typeof(TOut).FullName);
      if (!_Dic.ContainsKey(key))
      {
            #region 这里是拼装---赋属性值的代码
            ParameterExpression parameterExpression = Expression.Parameter(typeof(TIn), "p");
            //MemberBinding: 就是一个表达式目录树
            List<MemberBinding> memberBindingList = new List<MemberBinding>();
            foreach (var item in typeof(TOut).GetProperties())   //这里是处理属性的
            {
                MemberExpression property = Expression.Property(parameterExpression, typeof(TIn).GetProperty(item.Name));

                MemberBinding memberBinding = Expression.Bind(item, property);

                memberBindingList.Add(memberBinding);
            }
            foreach (var item in typeof(TOut).GetFields()) //处理字段的
            {
                MemberExpression property = Expression.Field(parameterExpression, typeof(TIn).GetField(item.Name));
                MemberBinding memberBinding = Expression.Bind(item, property);
                memberBindingList.Add(memberBinding);
            }
            MemberInitExpression memberInitExpression = Expression.MemberInit(Expression.New(typeof(TOut)), memberBindingList.ToArray());//组装了一个转换的过程;

            Expression<Func<TIn, TOut>> lambda = Expression.Lambda<Func<TIn, TOut>>(memberInitExpression, new ParameterExpression[]
            {
                parameterExpression
            });

            #endregion


            Func<TIn, TOut> func = lambda.Compile();//拼装是一次性的
            _Dic = func;
      }
      return ((Func<TIn, TOut>)_Dic).Invoke(tIn);
    }
}
PeopleCopy peopleCopy4 = ExpressionMapper.Trans<People, PeopleCopy>(people);最后运行一百万次,来看一下效率。
    public class ExpressionGenericMapper<TIn, TOut>//Mapper`2
    {
      private static Func<TIn, TOut> _FUNC = null;
      static ExpressionGenericMapper()
      {
            ParameterExpression parameterExpression = Expression.Parameter(typeof(TIn), "p");
            List<MemberBinding> memberBindingList = new List<MemberBinding>();
            foreach (var item in typeof(TOut).GetProperties())
            {
                MemberExpression property = Expression.Property(parameterExpression, typeof(TIn).GetProperty(item.Name));
                MemberBinding memberBinding = Expression.Bind(item, property);
                memberBindingList.Add(memberBinding);
            }
            foreach (var item in typeof(TOut).GetFields())
            {
                MemberExpression property = Expression.Field(parameterExpression, typeof(TIn).GetField(item.Name));
                MemberBinding memberBinding = Expression.Bind(item, property);
                memberBindingList.Add(memberBinding);
            }
            MemberInitExpression memberInitExpression = Expression.MemberInit(Expression.New(typeof(TOut)), memberBindingList.ToArray());
            Expression<Func<TIn, TOut>> lambda = Expression.Lambda<Func<TIn, TOut>>(memberInitExpression, new ParameterExpression[]
            {
                  parameterExpression
            });
            _FUNC = lambda.Compile();//拼装是一次性的
      }
      public static TOut Trans(TIn t)
      {
            return _FUNC(t);
      }
    }
}
PeopleCopy peopleCopy5 = ExpressionGenericMapper<People, PeopleCopy>.Trans(people);看运行后的结果

核心:动态生成硬编码;----代码运行的时候生成了一段新的逻辑;
四、表达式树和sql

为什么要使用表达式目录树来拼装解析呢?
可以提供重用性
如果封装好一个方法,接受一个表达式树,在解析的时候,其实就是不断的访问,访问的时候,会按照固定的规则,避免出错;
任何的一个表达式树都可以用一个通用的方法解析并且支持泛型,更加容易去封装;
例子:
需要的扩展类
{
    People people = new People()
    {
      Id = 11,
      Name = "Richard",
      Age = 31
    };
    long common = 0;
    long generic = 0;
    long cache = 0;
    long reflection = 0;
    long serialize = 0;
    {
      Stopwatch watch = new Stopwatch();
      watch.Start();
      for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
      {
            PeopleCopy peopleCopy = new PeopleCopy()
            {
                Id = people.Id,
                Name = people.Name,
                Age = people.Age
            };
      }
      watch.Stop();
      common = watch.ElapsedMilliseconds;
    }
    {
      Stopwatch watch = new Stopwatch();
      watch.Start();
      for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
      {
            PeopleCopy peopleCopy = ReflectionMapper.Trans<People, PeopleCopy>(people);
      }
      watch.Stop();
      reflection = watch.ElapsedMilliseconds;
    }
    {
      Stopwatch watch = new Stopwatch();
      watch.Start();
      for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
      {
            PeopleCopy peopleCopy = SerializeMapper.Trans<People, PeopleCopy>(people);
      }
      watch.Stop();
      serialize = watch.ElapsedMilliseconds;
    }
    {

      Stopwatch watch = new Stopwatch();
      watch.Start();
      for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
      {
            PeopleCopy peopleCopy = ExpressionMapper.Trans<People, PeopleCopy>(people);
      }
      watch.Stop();
      cache = watch.ElapsedMilliseconds;
    }
    {
      Stopwatch watch = new Stopwatch();
      watch.Start();
      for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
      {
            PeopleCopy peopleCopy = ExpressionGenericMapper<People, PeopleCopy>.Trans(people);
      }
      watch.Stop();
      generic = watch.ElapsedMilliseconds;
    }

    Console.WriteLine($"common = {common} ms");      //性能最高,但是不能通用;
    Console.WriteLine($"reflection = {reflection} ms");
    Console.WriteLine($"serialize = {serialize} ms");
    Console.WriteLine($"cache = {cache} ms");
    Console.WriteLine($"generic = {generic} ms"); //性能好,而且扩展性也好===又要马儿跑,又要马儿不吃草。。。
}对应的表达式解析
public class OperationsVisitor : ExpressionVisitor
{
   public Expression Modify(Expression expression)
   {
         Console.WriteLine(expression.ToString()) ;

         //ExpressionVisitor:
         //1.Visit方法--访问表达式目录树的入口---分辨是什么类型的表达式目录
         //2.调度到更加专业的方法中进一步访问,访问一遍之后,生成一个新的表达式目录   ---有点像递归,不全是递归;
         //3.因为表达式目录树是个二叉树,ExpressionVisitor一直往下访问,一直到叶节点;那就访问了所有的节点
         //4.在访问的任何一个环节,都可以拿到对应当前环节的内容(参数名称、参数值。。),就可以进一步扩展
         return this.Visit(expression);
   }

   /// <summary>
   /// 覆写父类方法
   /// </summary>
   /// <param name="b"></param>
   /// <returns></returns>
   protected override Expression VisitBinary(BinaryExpression b)
   {
      
         if (b.NodeType == ExpressionType.Add)
         {
             Expression left = this.Visit(b.Left);
             Expression right = this.Visit(b.Right);
             return Expression.Subtract(left, right);
         }
         else if (b.NodeType==ExpressionType.Multiply) //如果是相乘
         {
             Expression left = this.Visit(b.Left);
             Expression right = this.Visit(b.Right);
             return Expression.Divide(left, right); //相除
         }
         return base.VisitBinary(b);
   }

   /// <summary>
   /// 覆写父类方法
   /// </summary>
   /// <param name="node"></param>
   /// <returns></returns>
   protected override Expression VisitConstant(ConstantExpression node)
   {
         return base.VisitConstant(node);
   }同时表达式树中已经通过使用观察者模式封装好了Visit方法.

[*]Visit方法--访问表达式树的入口---分辨是什么类型的表达式目录
[*]调度到更加专业的方法中进一步访问,访问一边以后,生成一个新的表达式目录. --- 有点像递归,不全是递归
[*]因为表达式目录树是一个二叉树,ExpreesionVistor一直往下访问,一直到叶子节点;通过二叉树的遍历就访问了所有的节点.
[*]在访问的任何一个环节,都可以拿到对应当前环节的内容(参数名称、参数值...)就可以进一步扩展.
现在开始将表达式树跟sql语句进行连接
例子:
扩展类
Expression<Func<int, int, int>> exp = (m, n) => m * n + 2;
OperationsVisitor visitor = new OperationsVisitor();
//visitor.Visit(exp);
Expression expNew = visitor.Modify(exp);对应的sql语句的解析
public class ConditionBuilderVisitor : ExpressionVisitor
{
   private Stack<string> _StringStack = new Stack<string>();

   public string Condition()
   {
         string condition = string.Concat(this._StringStack.ToArray());
         this._StringStack.Clear();
         return condition;
   }

   /// <summary>
   /// 如果是二元表达式
   /// </summary>
   /// <param name="node"></param>
   /// <returns></returns>
   protected override Expression VisitBinary(BinaryExpression node)
   {
         if (node == null) throw new ArgumentNullException("BinaryExpression");

         this._StringStack.Push(")");
         base.Visit(node.Right);//解析右边
         this._StringStack.Push(" " + node.NodeType.ToSqlOperator() + " ");
         base.Visit(node.Left);//解析左边
         this._StringStack.Push("(");

         return node;
   }

   /// <summary>
   /// 解析属性
   /// </summary>
   /// <param name="node"></param>
   /// <returns></returns>
   protected override Expression VisitMember(MemberExpression node)
   {
         if (node == null) throw new ArgumentNullException("MemberExpression");
         //this._StringStack.Push(" [" + node.Member.Name + "] ");
         ////return node;
         if (node.Expression is ConstantExpression)
         {
             var value1 = this.InvokeValue(node);
             var value2 = this.ReflectionValue(node);
             //this.ConditionStack.Push($"'{value1}'");
             this._StringStack.Push("'" + value2 + "'");
         }
         else
         {
             this._StringStack.Push(" [" + node.Member.Name + "] ");
         }
         return node;
   }


   private object InvokeValue(MemberExpression member)
   {
         var objExp = Expression.Convert(member, typeof(object));//struct需要
         return Expression.Lambda<Func<object>>(objExp).Compile().Invoke();
   }

   private object ReflectionValue(MemberExpression member)
   {
         var obj = (member.Expression as ConstantExpression).Value;
         return (member.Member as FieldInfo).GetValue(obj);
   }

   /// <summary>
   /// 常量表达式
   /// </summary>
   /// <param name="node"></param>
   /// <returns></returns>
   protected override Expression VisitConstant(ConstantExpression node)
   {
         if (node == null) throw new ArgumentNullException("ConstantExpression");
         this._StringStack.Push(" '" + node.Value + "' ");
         return node;
   }
   /// <summary>
   /// 方法表达式
   /// </summary>
   /// <param name="m"></param>
   /// <returns></returns>
   protected override Expression VisitMethodCall(MethodCallExpression m)
   {
         if (m == null) throw new ArgumentNullException("MethodCallExpression");

         string format;
         switch (m.Method.Name)
         {
             case "StartsWith":
               format = "({0} LIKE {1}+'%')";
               break;

             case "Contains":
               format = "({0} LIKE '%'+{1}+'%')";
               break;

             case "EndsWith":
               format = "({0} LIKE '%'+{1})";
               break;

             default:
               throw new NotSupportedException(m.NodeType + " is not supported!");
         }
         this.Visit(m.Object);
         this.Visit(m.Arguments);
         string right = this._StringStack.Pop();
         string left = this._StringStack.Pop();
         this._StringStack.Push(String.Format(format, left, right));

         return m;
   }
}在我自己的看法,使用表达式树而不是传统的方式去解析sql语句的优点

[*]通过二叉树的方式表达,更加的有条理性
[*]使用泛型等技术更方式实现一个通用的sql语句的解析。
[*]会有类型检查,出错后也能使用异常处理。

来源:https://www.cnblogs.com/wenlong-4613615/p/18084777
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