【C#语法糖 Lambda】2 - 表达式树与LINQ

一、声明

　　曾经遇到一个这样的场景：

GetEntities(a => a.OrderKindCodeId == 16 && a.IsDeleted, this.DefaultContext)
protected IEnumerable<TEntity> GetEntities(Expression<Func<TDto, bool>> expression, IRepositoryContext context)

　　我就很奇怪，明明a => a.OrderKindCodeId == 16 && a.IsDeleted是Lambda表达式，为什么入参是表示式树呢？一次偶然调试中发现，原来C#支持表达式树的声明像Lambda一样写（当然有一定局限）。

　　上述报错，是编译器无法推断弱类型是表达式树类型还是Lambda类型，需要指定类型：

Func<string, string, bool> lambda = (a,b) => a.StartsWith(b);
Expression<Func<string, string, bool>> e = (a, b) => a.StartsWith(b);

var expressionToLambda = e.Compile(); // 将表达式树转化成lambda表达式，故类型与e相同，但内容与e有区别
var typeIsEqual = expressionToLambda.GetType() == lambda.GetType(); // true
bool isEqual = lambda.Equals(expressionToLambda); // false

　　不同的原因应该是.Compile()的锅，此处不研究。

　　换一种方法声明表达式树：

static Func<string, bool> buildlambda(Expression<Func<string, bool>> exp1, Expression<Func<string, bool>> exp2)
{
    ParameterExpression parameter = Expression.Parameter(typeof(string));
    Expression left = exp1.Body;
    Expression right = exp2.Body;
    BinaryExpression AndAlso = Expression.AndAlso(left, right);
    return Expression.Lambda<Func<string, bool>>(AndAlso, parameter).Compile();
}

　　看起来很正常，但运行时compile会报错：

System.InvalidOperationException:“从作用域“”引用了“System.String”类型的变量“a”，但该变量未定义”

　　运算过程出错，因为找不到参数——啥意思？上例的错误其实相当于这样：

Expression<Func<string, string, bool>> e = (a, b) => a.StartsWith(b);
var e1 = Expression.Lambda(e.Body);
bool c1 = e == e1; // false

e1 = Expression.Lambda(e.Body, e.Parameters); // e1是Expression<T>类型，指定了参数，让运算有个目标
var e2 = e1 as Expression; // e2是LambdaExpression类型
c1 = e == e1; // false，类型不同

二、存储结构

　　表达式树是有稳定性的，它由一个一个节点挂成一棵树，那怎么修改它？动一棵树，那必然是要遍历的，要递归。

　　问题又来了，构建一个表达式树如此费劲（不使用lambda表达式下）干嘛要用它——表达式树存在的意义？

三、意义与应用

　　3 - 1 为什么需要表达式树

　　表达式树的应用，最后还是要.Compile()成lambda表达式，那为什么不直接用lambda？

　　⑴ 调试可见方法如何实现

　　⑵ Lambda表达式能转换成表达式树，然后由其他代码处理，从而达到在不同执行环境中执行等价的行为。

　　Linq To SQL ：将源语言（比如C#）生成一个表达式树，其结果作为一个中间格式，再将其转换成目标平台上的本地语言（比如SQL）。

　　那么这个中间格式直接传lambda表达式行不行？

　　测试了一下，数据库响应速度特别慢，可能还会发生超时。仅就这个原因，也必须用表达式树了：

　　看用时：

　　3 - 2 ExpressionVisitor

　　上述提及与数据库交互，那就涉及节点值问题（例如节点是一个函数的值，我们希望直接传函数结果而不是传函数），尽量处理得干净一些，这就需要修改（/重构）树，可以使用ExpressionVisitor类。

　　ExpressionVisitor应该是一个抽象类，程序员按需求继承重写。

　　这个类主要处理好Parameter和各个节点类型，入口函数应该是Visit(Expression exp)，此处仅列出一部分：

        public virtual Expression Visit(Expression exp)
        {
            if (exp == null)
                return exp;
            switch (exp.NodeType)
            {
                case ExpressionType.And: // +
                case ExpressionType.AndAlso: // 并且
                case ExpressionType.LessThan: // 小于
                case ExpressionType.GreaterThan: // 大于
                case ExpressionType.Equal: // 等于
                case ExpressionType.NotEqual: // 不等于
                    return this.VisitBinary((BinaryExpression)exp);
                case ExpressionType.Constant: // 常数
                    return this.VisitConstant((ConstantExpression)exp);
                case ExpressionType.Parameter: // 参数
                    return this.VisitParameter((ParameterExpression)exp);
                case ExpressionType.MemberAccess: //从字段或属性进行读取的运算，如 obj.SampleProperty
                    return this.VisitMemberAccess((MemberExpression)exp);
                case ExpressionType.Call: // 方法调用
                    return this.VisitMethodCall((MethodCallExpression)exp);
                case ExpressionType.Lambda: // Lambda表达式
                    return this.VisitLambda((LambdaExpression)exp);
                default:
                    throw new Exception(string.Format("Unhandled expression type: '{0}'", exp.NodeType));
            }
        }

　　应用上例，改动一下：

　　ExpressionVisitorTest：

    public class ExpressionVisitorTest
    {
        public ExpressionVisitorTest() { }

        public Expression Visit(Expression exp)
        {
            if (exp == null)
                return exp;
            switch (exp.NodeType)
            {
                case ExpressionType.Parameter:
                    return VisitParameter((ParameterExpression)exp);
                case ExpressionType.NotEqual:
                    return this.VisitBinary((BinaryExpression)exp);
                case ExpressionType.MemberAccess:
                    return this.VisitMemberAccess((MemberExpression)exp);
                case ExpressionType.Constant:
                    return this.VisitConstant((ConstantExpression)exp);
                default: return exp;
            }
        }

        protected virtual Expression VisitBinary(BinaryExpression b)
        {
            Expression left = this.Visit(b.Left);
            Expression right = this.Visit(b.Right);
            Expression conversion = this.Visit(b.Conversion);
            if (left != b.Left || right != b.Right || conversion != b.Conversion)
            {
                if (b.NodeType == ExpressionType.Coalesce && b.Conversion != null)
                    return Expression.Coalesce(left, right, conversion as LambdaExpression);
                else
                    return Expression.MakeBinary(b.NodeType, left, right, b.IsLiftedToNull, b.Method);
            }
            return b;
        }

        public Expression VisitMemberAccess(MemberExpression exp)
        {
            Expression body = Visit(exp.Expression);
            if (body != exp.Expression)
                return Expression.MakeMemberAccess(exp, exp.Member);
            return exp;
        }

        public Expression VisitParameter(ParameterExpression exp)
        {
            return Parameter;
        }

        protected virtual Expression VisitConstant(ConstantExpression c)
        {
            return c;
        }

        public ParameterExpression Parameter
        {
            get;
            set;
        }
}

　　先看看要啥效果：

   ExpressionVisitor visitor = new ExpressionVisitorInstance();
   string testStr = true ? "0" : "123";
   Expression<Func<string, bool>> aa = a => a != testStr;
   var bb = visitor.Visit(aa);
   isequal = bb.Equals(aa); // false

　　（下载ExpressionVisitor.cs）

　　例如重写VisitMemberAccess方法：

    public class ExpressionVisitorInstance : ExpressionVisitor
    {
        protected override Expression VisitMemberAccess(MemberExpression m)
        {
            Expression expr = base.VisitMemberAccess(m);
            return SimplyMemberAccess(expr);
        }

        private static Expression SimplyMemberAccess(Expression expr)
        {
            MemberExpression me = expr as MemberExpression;
            if (me == null) return expr;

            object target;
            if (me.Expression == null)
                target = null;
            else if (me.Expression is ConstantExpression)
                target = (me.Expression as ConstantExpression).Value;
            else
                return expr;

            return Expression.Constant(me.Member.GetValue(target));
        }
    }

　　MemberExpression的属性：

MemberExpression	CanReduce	能否化简
	Expression	值表达式
	Member	Reflection.RtFieldInfo类型，可处理此处获得真实值
	NodeType	节点类型
	Type	值类型

　　处理反射的帮助类：

    public static class ReflectionHelper
    {
        public static object GetValue(this MemberInfo member, object component)
        {
            if (component == null && !member.CanGetFromNull()) return null;

            if (member is PropertyInfo)
                return ((PropertyInfo)member).GetValue(component, null);
            if (member is FieldInfo)
                return ((FieldInfo)member).GetValue(component);

            MethodInfo method = member as MethodInfo;
            if (method != null && typeof(void) != method.ReturnType && method.GetParameters().Length == 0)
            {
                return method.Invoke(component, null);
            }

            return null;
        }

        private static bool CanGetFromNull(this MemberInfo member)
        {
            if (member is PropertyInfo)
                return ((PropertyInfo)member).GetGetMethod().IsStatic;
            else if (member is FieldInfo)
                return ((FieldInfo)member).IsStatic;
            else if (member is MethodBase)
                return ((MethodBase)member).IsStatic;
            else
                return false;
        }
    }

　　3 - 3 表达式树的其他作用：

　　不同类型数字相加，详见 http://mng.bz/9m8i：

        public static T Add<T>(T a, T b)
        {
            ParameterExpression left = Expression.Parameter(typeof(T), "a"),
             right = Expression.Parameter(typeof(T), "b");
            Expression Add = Expression.Add(left, right);

            Func<T, T, T> add = Expression.Lambda<Func<T, T, T>>(Add, left, right).Compile();
            return add(a, b);
        }

　　但略感到尴尬的是，现在使用的.net 4.6.1已经能支持类型推断了，会推断一个“合适的类型”，也即意味着不用人工去强转类型了：

    int d1 = 1;
    double d2 = 2.1;
    float d4 = 5.5f;
    long d5 = (long)10;
    var d3 = d1+ d2 + d5 + d4; // 存在从int到double的隐式转换

参考：

[0] 深入C# 第三版

[1] https://www.cnblogs.com/FlyEdward/archive/2010/12/06/Linq_ExpressionTree7.html

[2] https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/programming-guide/concepts/expression-trees/how-to-modify-expression-trees