C# IQueryable<T>揭開表達式樹的神秘面紗

Posted on 2021-04-26 by WalkonNet

什麼是樹？

什麼是樹？這個問題好像有點白癡。樹不就是樹嘛。

我們從最下面的主幹開始往上看，主枝-分支-分支….可以說是無限分支下去。我們倒過來看就是這樣：

平時我們用得最多的樹結構數據就是XML瞭，節點下面可以無限添加子節點。我們想想平時還用過什麼樹結構數據，比如：菜單無限分級、評論區的樓層。

這和我們今天講的有毛關系啊。… 我們今天主要就是來分析表達式樹的。、

lambda表達式和表達式樹的區別：

Lambda表達式：

Func<Student, bool> func = t => t.Name == "農碼一生";

表達式樹：

Expression<Func<Student, bool>> expression = t => t.Name == "農碼一生";

咋一看，沒啥區別啊。表達式隻是用Expression包瞭一下而已。那你錯瞭，這隻是Microsoft給我們展示的障眼法，我們看編譯後的C#代碼：

第一個lambda表達式編譯成瞭匿名函數，第二個表達式樹編譯成一瞭一堆我們不認識的東西，遠比我們原來寫的lambda復雜得多。

結論：

我們平時使用的表達式樹，是編寫的lambda表達式然後編譯成的表達式樹，也就是說平時一般情況使用的表達式樹都是編譯器幫我們完成的。（當然，我們可以可以手動的主動的去創表達式樹。隻是太麻煩，不是必要情況沒有誰願意去幹這個苦活呢）

我們來看看表達式樹到底有什麼神奇的地方：

有沒有看出點感覺來？Body裡面有Right、Left，Right裡面又有Right、Left，它們的類型都是繼承自Expression。這種節點下面有節點，可以無限附加下去的數據結構我們稱為樹結構數據。也就是我們的表達式樹。

補：上面的Student實體類：

public class Student
{
    public string Name { get; set; }

    public int Age { get; set; }

    public string Address { get; set; }

    public string Sex { get; set; }
}

解析表達式樹

上面我們看到瞭所謂的表達式樹，其他也沒有想象的那麼復雜嘛。不就是一個樹結構數據嘛。如果我們要實現自己的orm，免不瞭要解析表達式樹。一般說到解析樹結構數據都會用到遞歸算法。下面我們開始解析表達式樹。

先定義解析方法：

//表達式解析
public static class AnalysisExpression
{
    public static void VisitExpression(Expression expression)
    {
        switch (expression.NodeType)
        {
            case ExpressionType.Call://執行方法
                MethodCallExpression method = expression as MethodCallExpression;
                Console.WriteLine("方法名:" + method.Method.Name);
                for (int i = 0; i < method.Arguments.Count; i++)
                    VisitExpression(method.Arguments[i]);
                break;
            case ExpressionType.Lambda://lambda表達式
                LambdaExpression lambda = expression as LambdaExpression;
                VisitExpression(lambda.Body);
                break;
            case ExpressionType.Equal://相等比較
            case ExpressionType.AndAlso://and條件運算
                BinaryExpression binary = expression as BinaryExpression;
                Console.WriteLine("運算符:" + expression.NodeType.ToString());
                VisitExpression(binary.Left);
                VisitExpression(binary.Right);
                break;
            case ExpressionType.Constant://常量值
                ConstantExpression constant = expression as ConstantExpression;
                Console.WriteLine("常量值:" + constant.Value.ToString());
                break;
            case ExpressionType.MemberAccess:
                MemberExpression Member = expression as MemberExpression;
                Console.WriteLine("字段名稱:{0}，類型:{1}", Member.Member.Name, Member.Type.ToString());
                break;
            default:
                Console.Write("UnKnow");
                break;
        }
    }

}

調用解析方法：

Expression<Func<Student, bool>> expression = t => t.Name == "農碼一生" && t.Sex == "男";
AnalysisExpression.VisitExpression(expression);

一層一層的往子節點遞歸，直到遍歷完所有的節點。最後打印效果如下：

基本上我們想要的元素和值都取到瞭，接著怎麼組裝就看你自己的心情瞭。是拼成sql，還是生成url，請隨意！

實現自己的IQueryable<T>、IQueryProvider

僅僅解析瞭表達式樹就可以搗鼓自己的orm瞭？不行，起碼也要基於IQueryable<T>接口來編碼吧。

接著我們自定義個類MyQueryable<T>繼承接口IQueryable<T>：

public class MyQueryable<T> : IQueryable<T>
 {
     public IEnumerator<T> GetEnumerator()
     {
         throw new NotImplementedException();
     }
     IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
     {
         throw new NotImplementedException();
     }
     public Type ElementType
     {
         get { throw new NotImplementedException(); }
     }
     public Expression Expression
     {
         get { throw new NotImplementedException(); }
     }
     public IQueryProvider Provider
     {
         get { throw new NotImplementedException(); }
     }
 }

我們看到其中有個接口屬性IQueryProvider，這個接口的作用大著呢，主要作用是在執行查詢操作符的時候重新創建IQueryable<T>並且最後遍歷的時候執行sql遠程取值。我們還看見瞭Expression 屬性。

現在我們明白瞭IQueryable<T>和Expression（表達式樹）的關系瞭吧：

IQueryable<T>最主要的作用就是用來存儲Expression（表達式樹）

下面我們也自定義現實瞭IQueryProvider接口的類MyQueryProvider：

public class MyQueryProvider : IQueryProvider
{
    public IQueryable<TElement> CreateQuery<TElement>(Expression expression)
    {
        throw new NotImplementedException();
    }
    public IQueryable CreateQuery(Expression expression)
    {
        throw new NotImplementedException();
    }
    public TResult Execute<TResult>(Expression expression)
    {
        throw new NotImplementedException();
    }
    public object Execute(Expression expression)
    {
        throw new NotImplementedException();
    }
}

上面全是自動生成的偽代碼，下面我們來填充具體的實現：

public class MyQueryProvider : IQueryProvider
    {
        public IQueryable<TElement> CreateQuery<TElement>(Expression expression)
        {
            return new MyQueryable<TElement>(expression);
        }

        public IQueryable CreateQuery(Expression expression)
        {
            throw new NotImplementedException();
        }

        public TResult Execute<TResult>(Expression expression)
        {
            return default(TResult);
        }

        public object Execute(Expression expression)
        {
            return new List<object>();
        } 
    }  
    public class MyQueryable<T> : IQueryable<T>
    {
        public MyQueryable()
        {
            _provider = new MyQueryProvider();
            _expression = Expression.Constant(this);
        }

        public MyQueryable(Expression expression)
        {
            _provider = new MyQueryProvider();
            _expression = expression;
        }
        public Type ElementType
        {
            get { return typeof(T); }
        }

        private Expression _expression;
        public Expression Expression
        {
            get { return _expression; }
        }

        private IQueryProvider _provider;
        public IQueryProvider Provider
        {
            get { return _provider; }
        }

        public IEnumerator GetEnumerator()
        {
            return (Provider.Execute(Expression) as IEnumerable).GetEnumerator();
        }

        IEnumerator<T> IEnumerable<T>.GetEnumerator()
        {
            var result = _provider.Execute<List<T>>(_expression);
            if (result == null)
                yield break;
            foreach (var item in result)
            {
                yield return item;
            }
        }
    }

執行代碼：

var aa = new MyQueryable<Student>();
 var bb = aa.Where(t => t.Name == "農碼一生");
 var cc = bb.Where(t => t.Sex == "男");
 var dd = cc.AsEnumerable();
 var ee = cc.ToList();

結論：

每次在執行Where查詢操作符的時候IQueryProvider會為我們創建一個新的IQueryable<T>
調用AsEnumerable()方法的時候並不會去實際取值（隻是得到一個IEnumerable）[註意：在EF裡面查詢不要先取IEnumerable後濾篩，因為AsEnumerable()會生成查詢全表的sql]
執行ToList()方法時才去真正調用迭代器GetEnumerator()取值
真正取值的時候，會去執行IQueryProvider中的Execute方法。（就是在調用這個方法的時候解析表達式數，然後執行取得結果）

我們看到真正應該辦實事的Execute 我們卻讓他返回默認值瞭。

現在估計有人不爽瞭，你到是具體實現下Execute。好吧！（其實通過上面說的解析表達式樹，你可以自己在這裡做想做的任何事瞭。）

首先為瞭簡單起見，我們用一個集合做為數據源：

//構造Student數組
public static List<Student> StudentArrary = new List<Student>()
{
        new Student(){Name="農碼一生", Age=26, Sex="男", Address="長沙"},
        new Student(){Name="小明", Age=23, Sex="男", Address="嶽陽"},
        new Student(){Name="嗨-妹子", Age=25, Sex="女", Address="四川"}
};

然後，重新寫一個VisitExpression2方法：（和之前的區別：現在目的是取表達式樹中的表達式，而不是重新組裝成sql或別的）

public static void VisitExpression2(Expression expression, ref List<LambdaExpression> lambdaOut)
{
    if (lambdaOut == null)
        lambdaOut = new List<LambdaExpression>();
    switch (expression.NodeType)
    {
        case ExpressionType.Call://執行方法
            MethodCallExpression method = expression as MethodCallExpression;
            Console.WriteLine("方法名:" + method.Method.Name);
            for (int i = 0; i < method.Arguments.Count; i++)
                VisitExpression2(method.Arguments[i], ref  lambdaOut);
            break;
        case ExpressionType.Lambda://lambda表達式
            LambdaExpression lambda = expression as LambdaExpression;
            lambdaOut.Add(lambda);
            VisitExpression2(lambda.Body, ref  lambdaOut);
            break;
        case ExpressionType.Equal://相等比較
        case ExpressionType.AndAlso://and條件運算
            BinaryExpression binary = expression as BinaryExpression;
            Console.WriteLine("運算符:" + expression.NodeType.ToString());
            VisitExpression2(binary.Left, ref  lambdaOut);
            VisitExpression2(binary.Right, ref  lambdaOut);
            break;
        case ExpressionType.Constant://常量值
            ConstantExpression constant = expression as ConstantExpression;
            Console.WriteLine("常量值:" + constant.Value.ToString());
            break;
        case ExpressionType.MemberAccess:
            MemberExpression Member = expression as MemberExpression;
            Console.WriteLine("字段名稱:{0}，類型:{1}", Member.Member.Name, Member.Type.ToString());
            break;
        case ExpressionType.Quote:
            UnaryExpression Unary = expression as UnaryExpression;
            VisitExpression2(Unary.Operand, ref  lambdaOut);
            break;
        default:
            Console.Write("UnKnow");
            break;
    }
}

然後重新實現方法Execute：

public TResult Execute<TResult>(Expression expression)
{
    List<LambdaExpression> lambda = null;
    AnalysisExpression.VisitExpression2(expression, ref lambda);//解析取得表達式數中的表達式
    IEnumerable<Student> enumerable = null;
    for (int i = 0; i < lambda.Count; i++)
    {
        //把LambdaExpression轉成Expression<Func<Student, bool>>類型
        //通過方法Compile()轉成委托方法
        Func<Student, bool> func = (lambda[i] as Expression<Func<Student, bool>>).Compile(); 
        if (enumerable == null)
            enumerable = Program.StudentArrary.Where(func);//取得IEnumerable
        else
            enumerable = enumerable.Where(func);
    }
    dynamic obj = enumerable.ToList();//（註意：這個方法的整個處理過程，你可以換成解析sql執行數據庫查詢，或者生成url然後請求獲取數據。）
    return (TResult)obj;
}

執行過程：

個人對IQueryable延遲加載的理解：

前段部分的查詢操作符隻是把邏輯分解存入表達式樹，並沒有遠程執行sql。
foreache執行的是IEnumerable<T>，然而IEnumerable<T>同樣具有延遲加載的特性。每次迭代的時候才真正的取數據。且在使用導航屬性的時候會再次查詢數據庫。(下次說延遲加載不要忘記瞭IEnumerable的功勞哦！)

小知識：

表達式樹轉成Lambda表達式：

Expression<Func<Student, bool>> expression = t => t.Name == "農碼一生";
Func<Student, bool> func = expression.Compile();

總結

表達式樹的分析就告一段落瞭，其中還有很多細節或重要的沒有分析到。下次有新的心得再來總結。

感覺表達式樹就是先把表達式打散存在樹結構裡（一般打散的過程是編譯器完成），然後可以根據不同的數據源或接口重新組裝成自己想要的任何形式，這也讓我們實現自己的orm成為瞭可能。

今天主要是對表達式樹的解析、和實現自己的IQueryable<T>、IQueryProvider做瞭一個記錄和總結，其中不定有錯誤的結論或說法，輕點拍！

以上就是C# IQueryable<T>揭開表達式樹的神秘面紗的詳細內容，更多關於C# IQueryable<T>的資料請關註WalkonNet其它相關文章！

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