追根溯源之Linq与表达式树

一、什么是表达式树？

  首先来看下官方定义（以下摘录自巨硬官方文档）

  表达式树表示树状数据结构中的代码，其中每个节点都是表达式，例如，方法调用或诸如的二进制操作x < y。

  您可以编译和运行由表达式树表示的代码。这样就可以对可执行代码进行动态修改，在各种数据库中执行LINQ查询以及创建动态查询。有关LINQ中的表达式树的更多信息，请参见如何使用表达式树构建动态查询（C＃）。

  在动态语言运行时（DLR）中还使用了表达式树，以提供动态语言和.NET之间的互操作性，并使编译器编写程序可以发出表达式树而不是Microsoft中间语言（MSIL）。有关DLR的更多信息，请参见《动态语言运行时概述》。

  您可以让C＃或Visual Basic编译器根据匿名lambda表达式为您创建一个表达式树，或者您可以使用System.Linq.Expressions命名空间手动创建表达式树。

  从上面我们可以提取一些关键信息——它是一种树型结构、表达式树可以被编译成可执行代码然后运行、DLR使用了表达式树、可以用表达式树来达到和直接写MSIL一样的效果、C#编译器能够根据匿名Lambda表达式静态生成构建表达式树的代码、你可以手动编写构建表达式树的代码。

  其实第一个关键信息就是表达式树的全部，后面的所有功能都是在这之上衍生出来的，所以用我的话来回答，什么是表达式树？表达式树就是一种树形数据结构，在这个结构上包含了代码逻辑所必须的信息，用这些信息我们可以用来做很多事，例如，生成MSIL代码，生成SQL语句等等，这也是Linq To Anything的基础。

二、Linq

  Linq（语言集成查询），在.Neter中经常用到的技术，你虽然在开发中经常用到，但你有没有了解过到它到底是怎么运作的呢？我们来扒一扒。

1.Linq To Entity

  首先，Linq的链式调用，是靠扩展方法实现的，Linq主要扩展了IEnumerable<T>和IQueryable<T>两大接口。我们看下针对IEnumerable<T>的扩展。

public static class Enumerable
{
    //所有针对IEnumerable<TSource>的扩展方法
    public static IEnumerable<TSource> Where<TSource>(this IEnumerable<TSource> source, Func<TSource, int, bool> predicate)
    //省略......
}

  观察可以发现，针对IEnumerable的扩展方法，貌似跟Expression没有半毛钱关系。是的，半分钱关系都没有。这样做其实是为了性能考虑，因为这些查询实际上是从MSIL翻译成机器代码本地执行，我何必要先解析表达式树，然后翻译成MSIL，再到机器代码呢？这也是所谓的Linq To Entity

2.Linq To Other

  对IQueryable<T>的扩展如下：

public static class Queryable
{
    //所有针对IEnumerable<TSource>的扩展方法
    public static IQueryable<TSource> Where<TSource>(this IQueryable<TSource> source, Expression<Func<TSource, bool>> predicate)
    //省略......
}

  观察可以发现，在Where扩展方法中有一个Expression<Func<TSource, bool>>类型的参数。这就是一个表达式树，确切的说是一个Lambda表达式树，这个Lamdbda表达式树包含了必要的信息，在对source上调用了这个方法，并传入一个Lambda表达式树之后，source内部会被把传入的表达式树添加到之前的表达式树节点上，然后返回一个新的IQueryable<TSource>实例，其中内部的表达式树已经包含了你刚传入的表达式节点，然后你可以在此之上继续调用扩展方法，当在调用诸如First()、ToList()、Count()等之类的方法之后，将会导致内部的表达式树被一个解析器解析，然后根据解析出来的结果，去查数据库、去检索JSON文件、去检索XML文件或是调用外部服务等，最后生成数据到内存，构造成一个List实例给你。至于内部的细节到底是什么，有时间再写。

3.问题

  细心的朋友可能注意到，上节提到的一个Expression<Func<TSource, bool>>类型的参数，这个是怎么构造出来的呢？我们平时开发的时候好像从没有构造过啊。其实文章开头就有提到，

  您可以让C＃或Visual Basic编译器根据匿名lambda表达式为您创建一个表达式树，或者您可以使用System.Linq.Expressions命名空间手动创建表达式树。

  发现没，这个脏活其实是由编译器帮我们干了，我们来验证一下。新建.Net Core控制台程序如下：

    static void Main(string[] args)
    {
        List<int> datas = new List<int> { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
        var res = datas.AsQueryable().Where(x => x > 3).ToList();
    }

  使用Debug模式编译，然后用一个你喜欢的反编译工具（PS：反编译一般指把中间语言代码变成高级语言代码，而反汇编一般指把机器代码变成汇编语言代码）反编译生成的程序集，这里我使用的是DNSPY。

如果使用的是DNSPY，记得把“反编译表达式树”选项关掉。

  内容如下：

// Token: 0x02000002 RID: 2
internal class Program
{
    // Token: 0x06000001 RID: 1 RVA: 0x00002050 File Offset: 0x00000250
    private static void Main(string[] args)
    {
        List<int> datas = new List<int>
        {
            1,
            2,
            3,
            4,
            5,
            6
        };
        IQueryable<int> source = datas.AsQueryable<int>();
        ParameterExpression parameterExpression = Expression.Parameter(typeof(int), "x");
        List<int> res = source.Where(Expression.Lambda<Func<int, bool>>(Expression.GreaterThan(parameterExpression, Expression.Constant(3, typeof(int))), new ParameterExpression[]
        {
            parameterExpression
        })).ToList<int>();
    }
}

  可以发现，编译器帮我们把Lambda表达式编译成了表达式树。

三、总结

  总的来说，表达式树是Linq中不可或缺的一环，为了方便人们使用表达式树，编译器也做了许多工作，从而避免用户手动构造表达式树，因此选用了Lambda表达式这种用户熟悉的形式给用户使用，但同时，也提高了理解门槛。

四、题外话

  为了减少重复劳动，我编写了一个动态构建查询的类库，基于.NetStandard，支持静态排序，动态排序，多重排序，模糊查询，分页查询，能适用大多数的后台管理应用开发场景。原理其实就是动态构建表达式树。GitHub上有文档，Nuget上搜索EazyPageQuery，记得勾选“包括预发行版”~

Github:https://github.com/HekunX/EazyPageQuery