表達式樹ExpressionTree

表達式樹基礎

剛接觸LINQ的人往往覺得表達式樹很不容易了解。通過這篇文章我希望大家看到它其實并不像想象中那麼難。您隻要有普通的LINQ知識便可以輕松了解本文。

表達式樹提供一個将可執行代碼轉換成資料的方法。如果你要在執行代碼之前修改或轉換此代碼，那麼它是非常有價值的。尤其是當你要将C#代碼----如LINQ查詢表達式轉換成其他代碼在另一個程式----如SQL資料庫裡操作它。

但是我在這裡颠倒順序，在文章最後你很容易發現為什麼将代碼轉換到資料中去很有用。首先我需要提供一點背景知識。讓我們開始看看相關的建立表達式樹的簡單文法。

表達式樹的文法

考慮下面簡單的Lambda表達式：

Func<int, int, int> function = (a,b) => a + b;

這個語句包含三個部分：

一個聲明: Func<int, int, int> function

一個等号: =

一個lambda表達式: (a,b) => a + b;

變量function指向兩個數字相加的原生可執行代碼。上面三步的lambda表達式表示一個簡短的如下的手寫方法：

public int function(int a, int b)

{

  return a + b;

}

上面的方法或lambda表達式都可以這樣調用：

int c = function(3, 5);

當方法調用後，變量c将被設成3+5，即8。

上面聲明中第一步委托類型Func是在System命名空間中為我們定義好的：

public delegate TResult Func<T1, T2, TResult>(T1 arg1, T2 arg2);

這個代碼看上去很複雜，但它在這裡隻是用來幫我們定義變量function，變量function指派為非常簡單的兩個數字相加的lambda表達式。即使你不懂委托和泛型，你仍然應該清楚這是一個聲明可執行代碼變量引用的方法。在這個例子裡它指向一個非常簡單的可執行代碼。

将代碼轉換到資料中

在上一節，你看到怎麼聲明一個指向原生可執行代碼的變量。表達式樹不是可執行代碼，它是一種資料結構。那麼我們怎麼從表達式的原生代碼轉換成表達式樹？怎麼從代碼轉換成資料？

LINQ提供一個簡單文法用來将代碼轉換到名叫表達式樹的資料結構。首先添加using語句引入Linq.Expressions命名空間：

using System.Linq.Expressions;

現在我們可以建立一個表達式樹：

Expression<Func<int, int, int>> expression = (a,b) => a + b;

跟上個例子一樣的lambda表達式用來轉換到類型為Expression<T>的表達式樹。辨別expression不是可執行代碼；它是一個名叫表達式樹的資料結構。

Visual Studio 2008的samples包含一個叫ExpressionTreeVisualizer的程式。它可以用來呈現表達式樹。圖1你可以看到一個展示上面簡單表達式語句的對話框截圖。注意，對話框上面部分顯示的是lambda表達式，下面是用TreeView控件顯示的其組成部分。

圖1：VS2008 C# Samples中的ExpressionTreeVisualizer建立一個表達式樹的象征性的輸出

編寫代碼來探索表達式樹

我們的例子是一個Expression<TDelegate>。Expression<TDelegate>類有四個屬性：

Body: 得到表達式的主體。

Parameters: 得到lambda表達式的參數.

NodeType: 擷取樹的節點的ExpressionType。共45種不同值，包含所有表達式節點各種可能的類型，例如傳回常量，例如傳回參數，例如取兩個值的小值(<)，例如取兩個值的大值(>)，例如将值相加(+)，等等。

Type: 擷取表達式的一個靜态類型。在這個例子裡，表達式的類型是Func<int, int, int>。

如果我們折疊圖1的樹節點，Expression<TDelegate>的四個屬性便顯示得很清楚：

圖2：将樹節點折疊起來，你可以很容易的看到Expression<TDelegate>類的四個主要屬性。

你可以使用這四個屬性開始探索表達式樹。例如，你可以通過這樣找到參數的名稱：

Console.WriteLine("參數1: {0}, 參數2: {1}", expression.Parameters[0], expression.Parameters[1]);

這句代碼輸出值a和b：

參數1: a, 參數2: b

這個很容易在圖1的ParameterExpression節點找到。

讓我們在接下來的代碼探索表達式的Body，在這個例子裡是(a + b)：

BinaryExpression body = (BinaryExpression)expression.Body;

ParameterExpression left = (ParameterExpression)body.Left;

ParameterExpression right = (ParameterExpression)body.Right;

Console.WriteLine(expression.Body);

Console.WriteLine(" 表達式左邊部分: " + "{0}{4} 節點類型: {1}{4} 表達式右邊部分: {2}{4} 類型: {3}{4}", left.Name, body.NodeType, right.Name, body.Type, Environment.NewLine);

這段代碼産生如下輸入：

(a + b)

  表達式左邊部分: a

  節點類型:  Add

  表達式右邊部分: b

  類型： System.Int32

同樣，你會發現很容易在圖1的Body節點中找到這些資訊。

通過探索表達式樹，我們可以分析表達式的各個部分發現它的組成。你可以看見，我們的表達式的所有元素都展示為像節點這樣的資料結構。表達式樹是代碼轉換成的資料。

編譯一個表達式：将資料轉換回代碼

如果我們可以将代碼轉換到資料，那麼我們也應該能将資料轉換回代碼。這裡是讓編譯器将表達式樹轉換到可執行代碼的簡單代碼。

int result = expression.Compile()(3, 5);

Console.WriteLine(result);

這段代碼會輸出值8，跟本文最初聲明的lambda函數的執行結果一樣。

IQueryable<T>和表達式樹

現在至少你有一個抽象的概念了解表達式樹，現在是時候回來了解其在LINQ中的關鍵作用了，尤其是在LINQ to SQL中。花點時間考慮這個标準的LINQ to SQL查詢表達式：

var query = from c in db.Customers 

            where c.City == "Nantes" 

            select new { c.City, c.CompanyName };

你可能知道，這裡LINQ表達式傳回的變量query是IQueryable類型。這裡是IQueryable類型的定義：

public interface IQueryable : IEnumerable 

  Type ElementType { get; }

  Expression Expression { get; }

  IQueryProvider Provider { get; }

你可以看見，IQueryable包含一個類型為Expression的屬性，Expression是Expression<T>的基類。IQueryable的執行個體被設計成擁有一個相關的表達式樹。它是一個等同于查詢表達式中的可執行代碼的資料結構。

花點時間考慮圖3。你可能需要點選它使圖檔原尺寸顯示。這是本節開始的查詢表達式的表達式樹的可視化顯示。此圖使用ExpressionTreeVisualizer建立，就像我使用它在圖1建立基礎的lambda表達式樹一樣。

<a href="http://blogs.msdn.com/blogfiles/charlie/WindowsLiveWriter/ExpressionTreeBasics_13B73/LinqToSqlExpressionTree01_2.png"></a>

圖3：此複雜的表達式樹由上面的樣例LINQ to SQL查詢表達式生成。(點選圖檔看檢視大圖)

為什麼要将LINQ to SQL查詢表達式轉換成表達式樹呢？

你已經學習了表達式樹是一個用來表示可執行代碼的資料結構。但到目前為止我們還沒有回答一個核心問題，那就是為什麼我們要做這樣的轉換。這個問題是我們在本文開始時提出來的，現在是時候回答了。

一個LINQ to SQL查詢不是在你的C#程式裡執行的。相反，它被轉換成SQL，通過網絡發送，最後在資料庫伺服器上執行。換句話說，下面的代碼實際上從來不會在你的程式裡執行：

var query = from c in db.Customers

            where c.City == "Nantes"

            select new { c.City, c.CompanyName };

它首先被轉換成下面的SQL語句然後在伺服器上執行：

SELECT [t0].[City], [t0].[CompanyName]

FROM [dbo].[Customers] AS [t0] 

WHERE [t0].[City] = @p0

從查詢表達式的代碼轉換成SQL查詢語句----它可以通過字元串形式被發送到其他程式。在這裡，這個程式恰好是SQL Server資料庫。像這樣将資料結構轉換到SQL顯然比直接從原生IL或可執行代碼轉換到SQL要容易得多。這有些誇大問題的難度，隻要試想轉換0和1的序列到SQL！

現在是時候将你的查詢表達式轉換成SQL了，描述查詢的表達式樹是分解并解析了的，就像我們在上一節分解我們的簡單的lambda表達式樹一樣。當然，解析LINQ to SQL表達式樹的算法比我們用的那個要複雜得多，但規則是一樣的。一旦解析了表達式樹的各部分，那麼LINQ開始斟酌以最好的方式生成傳回被請求的資料的SQL語句。

表達式樹被建立是為了制造一個像将查詢表達式轉換成字元串以傳遞給其他程式并在那裡執行這樣的轉換任務。就是這麼簡單。沒有巨大奧秘，不需要揮舞魔杖。隻是簡單的：把代碼，轉換成資料，然後分析資料發現其組成部分，最後轉換成可以傳遞到其他程式的字元串。

由于查詢來自編譯器封裝的抽象的資料結構，編譯器可以擷取任何它想要的資訊。它不要求執行查詢要在特定的順序，或用特定的方式。相反，它可以分析表達式樹，尋找你要做的是什麼，然後再決定怎麼去做。至少在理論上，我們可以自由的考慮各種因素，比如網絡狀況，資料庫負載，結果集是否有效，等等。在實際中LINQ to SQL不考慮所有這些因素，但它理論上可以自由的做幾乎所有想做的事。此外，人們可以通過表達式樹将自己編寫的代碼，分析并轉換成跟LINQ to SQL提供的完全不同的東西。

IQueryable&lt;T&gt;和IEnumerable&lt;T&gt;

正如你可能知道的，LINQ to Objects的查詢表達式傳回IEnumerable&lt;T&gt;而不是IQueryable&lt;T&gt;。為什麼LINQ to Objects使用IEnumerable&lt;T&gt;而LINQ to SQL使用IQueryable&lt;T&gt;？

這裡是IEnumerable&lt;T&gt;的定義：

public interface IEnumerable&lt;T&gt; : IEnumerable 

{ 

   IEnumerator&lt;T&gt; GetEnumerator();

正如你看到的，IEnumerable&lt;T&gt;并不包含類型為Expression的屬性。這指出LINQ to Objects和LINQ to SQL的根本差別。後者大量使用了表達式樹，但LINQ to Objects很少使用。

為什麼表達式樹不是LINQ to Objects的标準部分？雖然答案不一定會馬上出現，但這是很有意義的一旦你發現這個問題。

考慮這個簡單LINQ to Objects查詢表達式：

List&lt;int&gt; list = new List&lt;int&gt;() { 1, 2, 3 };

var query = from number in list

            where number &lt; 3 

            select number;

這個LINQ查詢傳回在我們的list中比3小的數字；就是說，這裡傳回數字1和2。顯然沒有必要将查詢轉換成字元串來順序傳遞給其他程式并擷取正确的結果。相反，可以直接轉換查詢表達式為可執行的.NET代碼。這裡并不需要将它轉換成字元串或對它執行任何其他複雜操作。

可是這有點理論化，在實際中某些特殊情況下其分隔線可能有些模糊，總體上講規則相當簡單：

如果代碼可以在程式裡執行那麼可以使用名為IEnumerable&lt;T&gt;的簡單類型完成任務

如果你需要将查詢表達式轉換成将傳遞到其他程式的字元串，那麼應該使用IQueryable&lt;T&gt;和表達式樹。

var query = from method in typeof(System.Linq.Enumerable).GetMethods()

            orderby method.Name

            group method by method.Name into g

            select new { Name = g.Key, Overloads = g.Count() };

概要

本文覆寫了表達式樹的一些基本情況。通過将代碼轉換成資料，這些資料結構揭示并描繪表達式的組成部分。從最小的概念上講，了解表達式樹是相當簡單的。它擷取可執行表達式并擷取其組成部分放入樹形資料結構。例如，我們檢測這個簡單的表達式：

(a,b) =&gt; a + b;

通過研究來源于這個表達式的樹，你能看到建立樹的基本規則，見圖1。

你同樣可以看到表達式樹在LINQ to SQL裡扮演非常重要的角色。尤其，他們是LINQ to SQL查詢表達式用來擷取邏輯的資料抽象。解析并分析此資料得到SQL語句，然後發送到伺服器。

LINQ使查詢C#語言的一個普通類即有類型檢查也有智能感覺。其代碼是類型檢查和智能感覺的，必須使用正确的C#文法，它能直接轉換到可執行代碼，就像任何其他C#代碼一樣被轉換和執行。表達式樹使将可執行代碼轉換成能傳遞到伺服器的SQL語句相對容易。

查詢傳回IEnumerable&lt;T&gt;優于IQueryable&lt;T&gt;表示不使用表達式樹。作為一般性規則，可以這麼說：LINQ查詢在程式内執行時不需要表達式樹，當代碼在程式外執行時可以利用表達式樹。

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