不可不知的表达式树（1）Expression初探
2024-03-30 00:49:49
说起Lambda表达式，大家基本都很熟悉了，而表达式树（Expression Trees），则属于80%的工作中往往都用不到的那种技术，所以即便不是什么新技术，很多人对其理解都并不透彻。此文意图从表达式树基本技术点结合实际应用，逐步来看表达式树究竟是怎么一回事，希望能帮助读者彻底学会表达式树^_^
一、初见表达式树Expression<TDelegate>
不妨回想一下，你第一次使用表达式树是在哪里呢，比如Expression<TDelegate>？
比如在linq查询中，常常用到Where方法过滤，OrderBy排序等，调用的是IQueryable<TSource>的静态扩展类Queryable的静态扩展方法。
// C:\Program Files (x86)\Reference Assemblies\Microsoft\Framework\.NETFramework\v4.6.1\System.Core.dll
namespace System.Linq
{
//
// 摘要:提供一组用于查询实现 System.Linq.IQueryable`1 的数据结构的 static方法。
//
public static class Queryable
{
//...
public static IQueryable<TSource> Where<TSource>(this IQueryable<TSource> source, Expression<Func<TSource, bool>> predicate);
public static IOrderedQueryable<TSource> OrderBy<TSource, TKey>(this IQueryable<TSource> source, Expression<Func<TSource, TKey>> keySelector);
//...
}
}
可以看到里面的参数类型Expression<Func<TSource, bool>> predicate和Expression<Func<TSource, TKey>> keySelector，咦？这不就是表达式树（Expression<TDelegate>）吗？！是的，但不止如此。
Expression<TDelegate>是表达式树的一种，并不等同于表达式树。
二、从Expression<TDelegate>到LambdaExpression
看下面的代码：
1 Func<Person, bool> func1 = x => x.Age > ;
2 Func<Person, string> func2 = x => x.Name;
3 Expression<Func<Person, bool>> expression1 = x => x.Age > ;
4 Expression<Func<Person, string>> expression2 = x => x.Name;
5 //错误CS0834，无法将具有语句体的lambda表达式转换为表达式树
6 Func<Person, int, int> func3 = (x, y) => { return x.Age + y; };
7 Action<Person, int> func4 = (x, y) => { };
8 Expression<Func<Person, int, int>> expression3 = (x, y) => { return x.Age + y; };
9 Expression<Action<Person, int>> expression4 = (x, y) => { };
expression1和expression2可以编译通过，expression3和expression4则编译错误，提示"无法将具有语句体的Lambda表达式转换为表达式树 "。
这是因为，我们可以将Lambda表达式赋值给泛型表达式类型变量（Expression<TDelegate>），编译器会将我们的Lambda表达式编译为表达式树，但是仅限于expression lambdas（表达式Lambdas，也叫做single-line lambdas，即不具有语句体的Lambda表达式)，相对的statement lambdas（语句Lambdas，也叫做multi-line lambdas），编译器则会报错。
看看反编译后的func1，func2，expression1，expression2。
ParameterExpression expression3;
Func<Person, bool> func = x => x.Age > 0x12;
Func<Person, string> func2 = x => x.Name;
ParameterExpression[] parameters = new ParameterExpression[] { expression3 };
Expression<Func<Person, bool>> expression = Expression.Lambda<Func<Person, bool>>(Expression.GreaterThan(Expression.Property(expression3 = Expression.Parameter(typeof(Person), "x"), (MethodInfo) methodof(Person.get_Age)), Expression.Constant(0x12, typeof(int))), parameters);
ParameterExpression[] expressionArray2 = new ParameterExpression[] { expression3 };
Expression<Func<Person, string>> expression2 = Expression.Lambda<Func<Person, string>>(Expression.Property(expression3 = Expression.Parameter(typeof(Person), "x"), (MethodInfo) methodof(Person.get_Name)), expressionArray2);
expression1和expression2变成了一堆复杂的语句，这才是它们作为表达式树原有的面目^_^
而Expression<TDelegate>来自何方？它继承自LambdaExpression。
来看看Expression<TDelegate>反编译后的构造函数
[__DynamicallyInvokable]
public sealed class Expression<TDelegate> : LambdaExpression
{
// 构造函数
internal Expression(Expression body, string name, bool tailCall, ReadOnlyCollection<ParameterExpression> parameters) :
6 base(typeof(TDelegate), name, body, tailCall, parameters)
{
}
//...
}
构造函数什么也没有做，只是将参数传递给父类构造函数，所以可以认为Expression<TDelegate>是对LambdaExpression的一层封装，而LambdaExpression又是继承自Expression，是表达式树的一种，而且是最特别的一种，为何特别，且看下文^_^
三、何为表达式树
首先来看下面的类图，可以更直观看到Expression<TDelegate>、LambdaExpression、Expression三者的关系。
黄线表示，使用表达式Lambdas赋值给Expression<TDelegate>类型变量，TDelegate会赋值给父类LambdaExpression的Type属性（联系下前面讲的构造函数的事情 ^_^ ）
重点看绿线，LambdaExpression继承自Expression，而LambdaExpression的Body属性，又是Expression类型。
哇哦，眼尖的你注意到LambdaExpression还有个Compile()方法，它会编译Body，生成表示 lambda 表达式的可执行委托，然后你就可以调用委托了，所以真正的表达式树所谓的树，就是藏在Body里啦。
So，其实Expression的子类型多达几十种，例如ParameterExpression，BinaryExpression，MethodCallExpression等等，但是只有LambdaExpression（Lambda表达式树）可以执行！
如果你还有疑问，那么任意一棵其它类型的表达式树，怎样执行呢？答案自然是创建一个新的LambdaExpression了，将表达式树作为LambdaExpression的Body，然后你懂的^_^
具体可以调用这个方法 public static Expression<TDelegate> Lambda<TDelegate>(Expression body, params ParameterExpression[] parameters);
此时，我们再来解答最初的疑问，究竟何为表达式树（Expression Trees）？
表达式树即一份树形结构存储的代码，树的每个结点又都是一个表达式树，你可以编译然后运行这份树形代码。
那么可以用它做什么呢？
- 表示Lambda表达式，这个显而易见了；
- 修改可执行代码，创建动态查询；
- 定制自己的IQueryable，通过翻译表达式树数据结构为特定的查询语言，实现对特定数据源的查询，即定制orm。与我们对各种数据库的Linq查询同理；
也就是说小到根据字段字符串参数的过滤排序等，大到定制自己的orm，你都离不开表达式树。
下篇文章中，我们将就表达式树的具体用途，来做实例展示。
四、手动创建表达式树
可以通过哪些途径来创建表达式树呢？通过上文我们知道可以使用表达式Lambda由编译器来创建Lambda表达式树，例如Expression<Func<int, bool>> lambda = num => num < 5;
而另外一个更通用的方式，就是引入System.Linq.Expressions命名空间，手动构造每一个表达式树结点，来创建表达式树。
来看几个简单的例子，一看就懂。
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
var ints = new int[] { , , , , , , , , , };
Func1(ints);
Func2(ints);
Func3(ints);
Console.Read();
}
/// <summary>
/// 目标表达式树 x => x > 5 && x <= 7
/// </summary>
public static void Func1(int[] ints)
{
//创建参数x
var parameter = Expression.Parameter(typeof(int), "x");
//创建表达式x>5
var con1 = Expression.Constant();
var bin1 = Expression.GreaterThan(parameter, con1);
//创建表达式x<=7
var con2 = Expression.Constant();
var bin2 = Expression.LessThanOrEqual(parameter, con2);
//组合两个表达式
var body = Expression.And(bin1, bin2);
//获取Lambda表达式
var lambda = Expression.Lambda<Func<int, bool>>(body, parameter);
var ints2 = ints.Where(lambda.Compile());
//执行结果
Console.WriteLine("\r\n Func1构造的表达式树Body：\r\n {0}", body);
Console.WriteLine("\r\n Func1构造的表达式树：\r\n {0}", lambda);
Console.WriteLine("\r\n Func1的结果：\r\n {0}", string.Join(",", ints2));
}
/// <summary>
/// 目标表达式树 x => x % 2 == 0 ? x : 0
/// </summary>
public static void Func2(int[] ints)
{
//创建参数 x
var parameter = Expression.Parameter(typeof(int), "x");
//创建表达式 x % 2
var con1 = Expression.Constant();
var bin1 = Expression.Modulo(parameter, con1);
//创建表达式 (x % 2) == 0
var con2 = Expression.Constant();
var bin2 = Expression.Equal(bin1, con2);
//创建表达式 x % 2 == 0 ? x : 0
var body = Expression.Condition(bin2, parameter, Expression.Constant());
//获取Lambda表达式
var lambda = Expression.Lambda<Func<int, int>>(body, parameter);
var ints2 = ints.Select(lambda.Compile());
//执行结果
Console.WriteLine("\r\n Func2构造的表达式树Body：\r\n {0}", body);
Console.WriteLine("\r\n Func2构造的表达式树：\r\n {0}", lambda);
Console.WriteLine("\r\n Func2的结果：\r\n {0}", string.Join(",", ints2));
}
/// <summary>
/// 目标表达式树 x => Console.WriteLine(x)
/// </summary>
/// <param name="ints"></param>
public static void Func3(int[] ints)
{
//创建参数i
var parameter = Expression.Parameter(typeof(int), "x");
//获取Console.WriteLine MethodInfo
MethodInfo method = typeof(Console).GetMethod("WriteLine", new Type[] { typeof(int) });
//创建表达式
var body = Expression.Call(method, parameter);
var lambda = Expression.Lambda<Action<int>>(body, parameter);
Console.WriteLine("\r\n Func3构造的表达式树Body：\r\n {0}", body);
Console.WriteLine("\r\n Func3构造的表达式树：\r\n {0}", lambda);
Array.ForEach(ints, lambda.Compile());
}
}
输出结果：
怎么样，动手来写几个表达式树吧？！代码实战会让你更加轻松的入门表达式树技术。
这里贴出Func1中的lambda变量监视图，看看这棵树吧^_^
通过上面几个小例子，相信你对表达式树的手动创建已经基本了解，同时可以看到手动创建远没有使用表达式Lambda来的方便，但是却可以突破single-line lambdas限制实现更多强大的功能。
那么Expression有多少种呢？看下图。这些都是继承自Expression，至于每种的用途，可以在VS中自行浏览，使用时根据我们的实际用途来选用不同的Expression来构建表达式树即可。
这些表达式目录树节点的类型共有85种。
//
// 摘要:
// 描述表达式目录树的节点的节点类型。
public enum ExpressionType
{
//
// 摘要:
// 加法运算，如 a + b，针对数值操作数，不进行溢出检查。
Add = ,
//
// 摘要:
// 加法运算，如 (a + b)，针对数值操作数，进行溢出检查。
AddChecked = ,
//
// 摘要:
// 按位或逻辑 AND 运算，如 C# 中的 (a & b) 和 Visual Basic 中的 (a And b)。
And = ,
//
// 摘要:
// 条件 AND 运算，它仅在第一个操作数的计算结果为 true 时才计算第二个操作数。它与 C# 中的 (a && b) 和 Visual Basic 中的
// (a AndAlso b) 对应。
AndAlso = ,
//
// 摘要:
// 获取一维数组长度的运算，如 array.Length。
ArrayLength = ,
//
// 摘要:
// 一维数组中的索引运算，如 C# 中的 array[index] 或 Visual Basic 中的 array(index)。
ArrayIndex = ,
//
// 摘要:
// 方法调用，如在 obj.sampleMethod() 表达式中。
Call = ,
//
// 摘要:
// 表示 null 合并运算的节点，如 C# 中的 (a ?? b) 或 Visual Basic 中的 If(a, b)。
Coalesce = ,
//
// 摘要:
// 条件运算，如 C# 中的 a > b ? a : b 或 Visual Basic 中的 If(a > b, a, b)。
Conditional = ,
//
// 摘要:
// 一个常量值。
Constant = ,
//
// 摘要:
// 强制转换或转换运算，如 C#中的 (SampleType)obj 或 Visual Basic 中的 CType(obj, SampleType)。对于数值转换，如果转换后的值对于目标类型来说太大，这不会引发异常。
Convert = ,
//
// 摘要:
// 强制转换或转换运算，如 C#中的 (SampleType)obj 或 Visual Basic 中的 CType(obj, SampleType)。对于数值转换，如果转换后的值与目标类型大小不符，则引发异常。
ConvertChecked = ,
//
// 摘要:
// 除法运算，如 (a / b)，针对数值操作数。
Divide = ,
//
// 摘要:
// 表示相等比较的节点，如 C# 中的 (a == b) 或 Visual Basic 中的 (a = b)。
Equal = ,
//
// 摘要:
// 按位或逻辑 XOR 运算，如 C# 中的 (a ^ b) 或 Visual Basic 中的 (a Xor b)。
ExclusiveOr = ,
//
// 摘要:
// “大于”比较，如 (a > b)。
GreaterThan = ,
//
// 摘要:
// “大于或等于”比较，如 (a >= b)。
GreaterThanOrEqual = ,
//
// 摘要:
// 调用委托或 lambda 表达式的运算，如 sampleDelegate.Invoke()。
Invoke = ,
//
// 摘要:
// lambda 表达式，如 C# 中的 a => a + a 或 Visual Basic 中的 Function(a) a + a。
Lambda = ,
//
// 摘要:
// 按位左移运算，如 (a << b)。
LeftShift = ,
//
// 摘要:
// “小于”比较，如 (a < b)。
LessThan = ,
//
// 摘要:
// “小于或等于”比较，如 (a <= b)。
LessThanOrEqual = ,
//
// 摘要:
// 创建新的 System.Collections.IEnumerable 对象并从元素列表中初始化该对象的运算，如 C# 中的 new List<SampleType>(){
// a, b, c } 或 Visual Basic 中的 Dim sampleList = { a, b, c }。
ListInit = ,
//
// 摘要:
// 从字段或属性进行读取的运算，如 obj.SampleProperty。
MemberAccess = ,
//
// 摘要:
// 创建新的对象并初始化其一个或多个成员的运算，如 C# 中的 new Point { X = 1, Y = 2 } 或 Visual Basic 中的 New
// Point With {.X = 1, .Y = 2}。
MemberInit = ,
//
// 摘要:
// 算术余数运算，如 C# 中的 (a % b) 或 Visual Basic 中的 (a Mod b)。
Modulo = ,
//
// 摘要:
// 乘法运算，如 (a * b)，针对数值操作数，不进行溢出检查。
Multiply = ,
//
// 摘要:
// 乘法运算，如 (a * b)，针对数值操作数，进行溢出检查。
MultiplyChecked = ,
//
// 摘要:
// 算术求反运算，如 (-a)。不应就地修改 a 对象。
Negate = ,
//
// 摘要:
// 一元加法运算，如 (+a)。预定义的一元加法运算的结果是操作数的值，但用户定义的实现可以产生特殊结果。
UnaryPlus = ,
//
// 摘要:
// 算术求反运算，如 (-a)，进行溢出检查。不应就地修改 a 对象。
NegateChecked = ,
//
// 摘要:
// 调用构造函数创建新对象的运算，如 new SampleType()。
New = ,
//
// 摘要:
// 创建新的一维数组并从元素列表中初始化该数组的运算，如 C# 中的 new SampleType[]{a, b, c} 或 Visual Basic 中的
// New SampleType(){a, b, c}。
NewArrayInit = ,
//
// 摘要:
// 创建新数组（其中每个维度的界限均已指定）的运算，如 C# 中的 new SampleType[dim1, dim2] 或 Visual Basic 中的
// New SampleType(dim1, dim2)。
NewArrayBounds = ,
//
// 摘要:
// 按位求补运算或逻辑求反运算。在 C# 中，它与整型的 (~a) 和布尔值的 (!a) 等效。在 Visual Basic 中，它与 (Not a) 等效。不应就地修改
// a 对象。
Not = ,
//
// 摘要:
// 不相等比较，如 C# 中的 (a != b) 或 Visual Basic 中的 (a <> b)。
NotEqual = ,
//
// 摘要:
// 按位或逻辑 OR 运算，如 C# 中的 (a | b) 或 Visual Basic 中的 (a Or b)。
Or = ,
//
// 摘要:
// 短路条件 OR 运算，如 C# 中的 (a || b) 或 Visual Basic 中的 (a OrElse b)。
OrElse = ,
//
// 摘要:
// 对在表达式上下文中定义的参数或变量的引用。有关详细信息，请参阅System.Linq.Expressions.ParameterExpression。
Parameter = ,
//
// 摘要:
// 对某个数字进行幂运算的数学运算，如 Visual Basic 中的 (a ^ b)。
Power = ,
//
// 摘要:
// 具有类型为 System.Linq.Expressions.Expression 的常量值的表达式。System.Linq.Expressions.ExpressionType.Quote
// 节点可包含对参数的引用，这些参数在该节点表示的表达式的上下文中定义。
Quote = ,
//
// 摘要:
// 按位右移运算，如 (a >> b)。
RightShift = ,
//
// 摘要:
// 减法运算，如 (a - b)，针对数值操作数，不进行溢出检查。
Subtract = ,
//
// 摘要:
// 算术减法运算，如 (a - b)，针对数值操作数，进行溢出检查。
SubtractChecked = ,
//
// 摘要:
// 显式引用或装箱转换，其中如果转换失败则提供 null，如 C# 中的 (obj as SampleType) 或 Visual Basic 中的 TryCast(obj,
// SampleType)。
TypeAs = ,
//
// 摘要:
// 类型测试，如 C# 中的 obj is SampleType 或 Visual Basic 中的 TypeOf obj is SampleType。
TypeIs = ,
//
// 摘要:
// 赋值运算，如 (a = b)。
Assign = ,
//
// 摘要:
// 表达式块。
Block = ,
//
// 摘要:
// 调试信息。
DebugInfo = ,
//
// 摘要:
// 一元递减运算，如 C# 和 Visual Basic 中的 (a - 1)。不应就地修改 a 对象。
Decrement = ,
//
// 摘要:
// 动态操作。
Dynamic = ,
//
// 摘要:
// 默认值。
Default = ,
//
// 摘要:
// 扩展表达式。
Extension = ,
//
// 摘要:
// “跳转”表达式，如 C# 中的 goto Label 或 Visual Basic 中的 GoTo Label。
Goto = ,
//
// 摘要:
// 一元递增运算，如 C# 和 Visual Basic 中的 (a + 1)。不应就地修改 a 对象。
Increment = ,
//
// 摘要:
// 索引运算或访问使用参数的属性的运算。
Index = ,
//
// 摘要:
// 标签。
Label = ,
//
// 摘要:
// 运行时变量的列表。有关详细信息，请参阅System.Linq.Expressions.RuntimeVariablesExpression。
RuntimeVariables = ,
//
// 摘要:
// 循环，如 for 或 while。
Loop = ,
//
// 摘要:
// 多分支选择运算，如 C# 中的 switch 或 Visual Basic 中的 Select Case。
Switch = ,
//
// 摘要:
// 引发异常的运算，如 throw new Exception()。
Throw = ,
//
// 摘要:
// try-catch 表达式。
Try = ,
//
// 摘要:
// 取消装箱值类型运算，如 MSIL 中的 unbox 和 unbox.any 指令。
Unbox = ,
//
// 摘要:
// 加法复合赋值运算，如 (a += b)，针对数值操作数，不进行溢出检查。
AddAssign = ,
//
// 摘要:
// 按位或逻辑 AND 复合赋值运算，如 C# 中的 (a &= b)。
AndAssign = ,
//
// 摘要:
// 除法复合赋值运算，如 (a /= b)，针对数值操作数。
DivideAssign = ,
//
// 摘要:
// 按位或逻辑 XOR 复合赋值运算，如 C# 中的 (a ^= b)。
ExclusiveOrAssign = ,
//
// 摘要:
// 按位左移复合赋值运算，如 (a <<= b)。
LeftShiftAssign = ,
//
// 摘要:
// 算术余数复合赋值运算，如 C# 中的 (a %= b)。
ModuloAssign = ,
//
// 摘要:
// 乘法复合赋值运算，如 (a *= b)，针对数值操作数，不进行溢出检查。
MultiplyAssign = ,
//
// 摘要:
// 按位或逻辑 OR 复合赋值运算，如 C# 中的 (a |= b)。
OrAssign = ,
//
// 摘要:
// 对某个数字进行幂运算的复合赋值运算，如 Visual Basic 中的 (a ^= b)。
PowerAssign = ,
//
// 摘要:
// 按位右移复合赋值运算，如 (a >>= b)。
RightShiftAssign = ,
//
// 摘要:
// 减法复合赋值运算，如 (a -= b)，针对数值操作数，不进行溢出检查。
SubtractAssign = ,
//
// 摘要:
// 加法复合赋值运算，如 (a += b)，针对数值操作数，进行溢出检查。
AddAssignChecked = ,
//
// 摘要:
// 乘法复合赋值运算，如 (a *= b)，针对数值操作数，进行溢出检查。
MultiplyAssignChecked = ,
//
// 摘要:
// 减法复合赋值运算，如 (a -= b)，针对数值操作数，进行溢出检查。
SubtractAssignChecked = ,
//
// 摘要:
// 一元前缀递增，如 (++a)。应就地修改 a 对象。
PreIncrementAssign = ,
//
// 摘要:
// 一元前缀递减，如 (--a)。应就地修改 a 对象。
PreDecrementAssign = ,
//
// 摘要:
// 一元后缀递增，如 (a++)。应就地修改 a 对象。
PostIncrementAssign = ,
//
// 摘要:
// 一元后缀递减，如 (a--)。应就地修改 a 对象。
PostDecrementAssign = ,
//
// 摘要:
// 确切类型测试。
TypeEqual = ,
//
// 摘要:
// 二进制反码运算，如 C# 中的 (~a)。
OnesComplement = ,
//
// 摘要:
// true 条件值。
IsTrue = ,
//
// 摘要:
// false 条件值。
IsFalse =
}
--参考阅读--
https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/programming-guide/concepts/expression-trees/
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