开源纯C#工控网关+组态软件(八)表达式编译器

一、   引子

监控画面的主要功能之一就是跟踪下位机变量变化，并将这些变化展现为动画。大部分时候，界面上一个图元组件的某个状态，与单一变量Tag绑定，比如电机的运行态，绑定一个MotorRunning信号；但有些时候不会这么简单，比如温度计在温度高于50℃显示红色;某设备报警，可能是多个条件其中之一触发的结果；变量变化触发一系列连锁反应…如此种种。考虑到工控行业大部分技术人员并非计算机专业出身，如何能够用最少的编码解决各种复杂的变量-动画绑定问题，无疑要费一番心思。

二、   方案选型

针对变量动画绑定问题，可以选择的方案包括如下几种：

• 脚本编译器

不少大型组态软件包含强大的脚本编辑器，支持诸如VBS、Python甚至C脚本语言。脚本自带语法编辑器、调试器和编译器，调用的API包罗万象，如数据库API，通讯API，画面组态API…可以用脚本实现非常复杂的逻辑。

但基于下面几种考虑，我没有实现这类的脚本编译器：

1. 不同于大部分组态软件包含一个独立的界面设计器，我用Visual Studio来肩挑语法编辑、调试、编译和界面设计的重任，没必要多此一举的搞一个独立的脚本编译器。
2. C#结合Visual Studio来调用通讯、数据库链接的各类函数，C#包含强大的语法功能，配合.NET 类库几乎无所不能，同时C#也支持脚本化，没有必要在使用其他脚本语言。

对于复杂的逻辑，就让C#配合VS神器来完成吧。

• 运算符重载。

曾经研究过一个C#写的脚本编译系统，它可以实现两个特定集合间的四则运算和逻辑运算，如List1.A+List2.A;List1.A>List2.B。看上去集合就像一个普通的数值那样参与运算和操作。

运算符重载是C#一个强大的语法功能，可以重载的操作符如下：

运算符	可重载性
+、-、!、~、++、--、true、false	可以重载这些一元运算符。   true和false运算符必须成对重载。
+、-、*、/、%、&、|、^、<<、>>	可以重载这些二元运算符。
==、!=、<、>、<=、>=	可以重载比较运算符。必须成对重载。
&&、||	不能重载条件逻辑运算符。   但可以使用能够重载的&和|进行计算。
[]	不能重载数组索引运算符，但可以定义索引器。
()	不能重载转换运算符，但可以定义新的转换运算符。
+=、-=、*=、/=、%=、&=、|=、^=、<<=、>>=	不能显式重载赋值运算符。   在重写单个运算符如+、-、%时，它们会被隐式重写。
=、.、?:、->、new、is、sizeof、typeof

无疑运算符重载用的好可以写出语义更清晰、更简洁的代码。

比如有一种复数类型Complex，有两个坐标x和y；定义ComplexA大于ComplexB为： A的x，y中至少有一个大于B的x，y。我只需要重载>操作符（相应的最好重载>=,<,<=），以后只需要A>B就能代替重复啰嗦的A.x>B.x||A.y>B.y。更可喜的是，重载后的>,<这些运算符，在.Net表达式树(ExpressionTree)中已经替换了它原来的语义。因此运算符重载在我这个编译器也有它用武之地。

但出于下面两个原因，它只适合作为编译引擎的辅助，而不适合单独使用：

1. 首先运算符重载只针对特定的类型；对于不熟悉C#语法特性的编程者，理解并正确的使用运算符重载不是件容易的事。
2. 运算符重载可以减少重复的代码，让语法更简洁；但依然要写C#代码，不适合大部分工控人员。

•  订阅事件

如果想省事，最简单的办法是直接写代码，例如：如果一台电机的运行需要A,B,C三个前提条件均满足，我就分别订阅A、B、C的变量变化事件，如果A由fasle变为true，再看看其他两个变量触发没有。也就是写这样几行代码：

            var tag1 = App.Server["A"];
            var tag2 = App.Server["B"];
            var tag3 = App.Server["C"];
            if (tag1 != null && tag2 != null && tag3 != null
            {
                tag1.ValueChanged += (s, e) =>
                  {
                      if (tag1.Value.Boolean && tag2.Value.Boolean && tag3.Value.Boolean)
                      {
                          //执行
                      }
                  };
                tag2.ValueChanged += (s, e) =>
                {
                    if (tag1.Value.Boolean && tag2.Value.Boolean && tag3.Value.Boolean)
                    {
                        //执行
                    }
                };
                tag3.ValueChanged += (s, e) =>
                {
                    if (tag1.Value.Boolean && tag2.Value.Boolean && tag3.Value.Boolean)
                    {
                        //执行
                    }
                };
            }

看上去不算复杂吧？如果界面上有50个动画，这样的代码就要写50次。不但浪费时间，改起来麻烦，查起来也麻烦。更糟糕的是，不懂编程的人还用不了。

• 表达式编译器

对于大部分零编程基础的上位机设计人员，他们需要的是一种没有学习和理解成本的、简单直观的变量绑定方式。

比如温度计在温度高于50℃显示红色，就一句话【temperature>50】;某设备显示报警，可能是多个报警变量其中之一触发的结果，只需写【Alarm1||Alarm2||Alarm3】…借助微软强大的表达式引擎，如果能解析这类变量表达式，设计者只需要知道图元与变量的逻辑关系；而极少数表达式也难以企及的功能，略微懂一点C#就可以实现。这样就可以做到使用简单，上手容易，同时又可以满足复杂的需求。

同时还有下面几个额外的好处：

最少的编码量：在一个界面的cs文件里，几乎没有代码。绑定逻辑在XAML内用直观的方式嵌入：

1. 可以用复制、粘贴和文本替换等功能减少重复编码；
2. 可以充分利用WPF的设计器扩展，实现一个简单的语法编辑器，实现语法高亮、自动完成并执行语法检查；
3. 查找变量逻辑和修改很方便。

这个编译器的主要代码在Eval类。

三、   自己实现一个编译器

• 编译原理

大学计算机都有一门编译原理课程。当年我也捧着一本教材，被“波兰表达式”、“逆波兰表达式”绕的云里雾里，然而逆波兰表达式是实现编译器的关键。

逆波兰表达式的优势在于只用两种简单操作，入栈和出栈就可以搞定任何普通表达式的运算。其运算方式如下：

如果当前字符为变量或者为数字，则压栈，如果是运算符，则将栈顶两个元素弹出作相应运算，结果再入栈，最后当表达式扫描完后，栈里的就是结果。

如何实现自己的编译器，微软已经给大家现成的轮子了。微软的Expression类提供了一套拼接、编译Lambda表达式的完整方法，可以用它轻松定义你自己的语法。相关知识可以参考博客园 装配脑袋的自己动手开发编译器系列文章：http://www.cnblogs.com/Ninputer/archive/2011/06/18/2084383.html。下面就以这个SCADA项目为例：

• 定义语法

在这一版，我只实现了最基本最常用的一些操作，如四则运算（+-*/）、逻辑运算(&|!)、取反取模、三目条件等运算。

GetOperatorLevel函数按照C#的运算符优先级定义运算优先级。

定义了@开头的自定义函数如@Date取当前日期、@App取当前路径等。

IsConstant方法定义系统常数，其中True/False表示逻辑常量，字符串常量用’’。

• 编译过程

编译过程就是将一个字符串转换为一个带返回值的函数；函数的参数就是表达式相关的Tag的值。依次为：

1. RpnExpression方法：将中缀表达式转换为逆波兰表达式。用关键字将表达式字符串分割为一个数组；按照优先级出栈入栈；返回一个逆波兰表达式顺序的字符串列表。
2. ComplieRpnExp方法：根据逆波兰表达式顺序，依次弹出运算符转换为Expression的各子类如二元表达式BinaryExpression、条件表达式ConditionalExpression、常数表达式ConstantExpression等；参数首先判断是否常数，如果不是，则调用GetTagExpression方法，将字符串转换为方法调用MethodCallExpression，最终会将该参数编译为一个Tag。经过处理最终返回一个LambdaExpression。
3. Eval方法将LambdaExpression编译为一个委托；相关的Tag加入列表TagList。

四、   应用场景

•   表达式与动画绑定

在每一个界面窗体都有几乎一样的几行代码：

       List<TagNodeHandle> _valueChangedList;

        private void HMI_Loaded(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
            lock (this)
            {
                _valueChangedList = cvs1.BindingToServer(App.Server);
            }
        }

        private void HMI_Unloaded(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
            lock (this)
            {
               App.Server.RemoveHandles(_valueChangedList);
            }
        }

其中, BindingToServer就是对当前界面所有图元进行地毯式扫描，搜索出各控件相关的TagReadText表达式并用Eval类编译之；编译的结果转换为带返回值的函数和一个相关Tag的列表；遍历这个Tag列表，将其值变化事件ValueChanged与这个函数链接起来。这样，在加载界面的时候已经完成了编译过程，相关变量的值一旦改变，就会根据表达式返回一个值，如果这个值是布尔量，同时与电机的运行动画绑定，就完成了从表达式到动画的触发过程。

•   复杂报警条件

报警一般包括超限报警、变量触发报警、差值报警等。但也可能有复杂的报警条件，不能用超限、超差等简单方式表述的，就可以归结为复杂报警，其条件可以用类似动画绑定的表达式来描述，在系统初始化时刻加载、编译为报警条件。

•  未来改进

编辑器改进：支持命令自动完成、语法高亮、更完善的语法检查。可考虑Sharpdevelop的编辑控件。

支持复杂语法：目前的语法仅仅是简单的四则运算和逻辑表达式。未来考虑支持多段表达式、函数（如正余弦）、属性引用等复杂语法。

五、   下面的计划

写一系列帖子，把架构、原理讲清楚。大致如下：

• 网关层接口概述
• 上下位机通讯原理
• 如何实现一个设备驱动
• 如何设计图元
• 数据采集与归档
• VS插件模块及原理
• 归档模块及文件格式
• 如何进行功能扩展
• 组态变量表达式实现

github地址：https://github.com/GavinYellow/SharpSCADA。QQ群：102486275