C#表达式树Expression怎么创建

发布时间：2021-12-27 13:59:03 作者：iii
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# C#表达式树Expression怎么创建

## 一、表达式树概述

表达式树（Expression Tree）是.NET Framework 3.5引入的重要特性，它将代码以树状数据结构的形式表示，每个节点都是一个表达式。这种数据结构使开发者能够以编程方式分析、修改或动态生成代码逻辑。

### 1.1 表达式树的核心特点
- **运行时代码生成**：可在程序运行时动态构建代码逻辑
- **延迟执行**：表达式树本身不立即执行，只有在编译后才会运行
- **可解析性**：可以分解和检查表达式树的各个组成部分
- **LINQ基础**：是LINQ to SQL等技术的实现基础

### 1.2 表达式树的主要用途
- 动态SQL生成（如Entity Framework）
- 动态方法生成
- 规则引擎实现
- AOP编程
- 反射的替代方案（性能更高）

## 二、表达式树基础类型

在System.Linq.Expressions命名空间下，包含构建表达式树所需的核心类：

### 2.1 主要表达式类型
| 类型 | 描述 | 示例 |
|------|------|------|
| `ConstantExpression` | 常量表达式 | `5`, `"hello"` |
| `ParameterExpression` | 参数表达式 | `x` in `x => x + 1` |
| `BinaryExpression` | 二元运算表达式 | `a + b`, `x > y` |
| `MethodCallExpression` | 方法调用表达式 | `Console.WriteLine()` |
| `MemberExpression` | 成员访问表达式 | `person.Name` |
| `LambdaExpression` | Lambda表达式 | `x => x * 2` |
| `UnaryExpression` | 一元运算表达式 | `!flag`, `(int)num` |

### 2.2 表达式树构建流程
1. 创建参数表达式（如果需要）
2. 组合各种子表达式
3. 构建Lambda表达式
4. 编译为委托（可选）
5. 执行（可选）

## 三、创建表达式树的四种方式

### 3.1 通过Lambda表达式自动转换

最简单的方式是让编译器自动将Lambda转换为表达式树：

```csharp
// 自动转换
Expression<Func<int, int, int>> addExpr = (a, b) => a + b;

// 查看表达式树结构
Console.WriteLine(addExpr);  // 输出：(a, b) => (a + b)

限制： - 只能转换单行Lambda - 不能包含语句块 - 不能包含赋值操作等

3.2 使用Expression类API手动构建

完整手动构建示例：

// 创建参数
ParameterExpression paramA = Expression.Parameter(typeof(int), "a");
ParameterExpression paramB = Expression.Parameter(typeof(int), "b");

// 创建加法表达式
BinaryExpression add = Expression.Add(paramA, paramB);

// 创建Lambda表达式
Expression<Func<int, int, int>> lambda = 
    Expression.Lambda<Func<int, int, int>>(add, paramA, paramB);

// 编译为委托并执行
Func<int, int, int> compiled = lambda.Compile();
int result = compiled(3, 5);  // 返回8

3.3 组合现有表达式树

Expression<Func<int, int>> square = x => x * x;
Expression<Func<int, int, int>> add = (a, b) => a + b;

// 组合：square(add(a,b))
var combined = Expression.Invoke(square, 
    Expression.Invoke(add, square.Parameters[0], Expression.Constant(2)));

Expression<Func<int, int>> finalExpr = 
    Expression.Lambda<Func<int, int>>(combined, square.Parameters[0]);

3.4 动态生成复杂表达式

生成 person => person.Age > 18 && person.Name.Contains("张")：

// 定义Person类
class Person {
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }
}

// 构建表达式
var personParam = Expression.Parameter(typeof(Person), "person");

// person.Age > 18
var ageProp = Expression.Property(personParam, "Age");
var ageCompare = Expression.GreaterThan(ageProp, Expression.Constant(18));

// person.Name.Contains("张")
var nameProp = Expression.Property(personParam, "Name");
var containsMethod = typeof(string).GetMethod("Contains", new[] { typeof(string) });
var nameCheck = Expression.Call(nameProp, containsMethod, Expression.Constant("张"));

// 组合
var finalCondition = Expression.AndAlso(ageCompare, nameCheck);

var lambda = Expression.Lambda<Func<Person, bool>>(finalCondition, personParam);

// 使用示例
var func = lambda.Compile();
bool test = func(new Person { Name = "张三", Age = 20 });  // true

四、高级创建技巧

4.1 条件表达式

构建类似三元运算符的条件逻辑：

// x => x > 0 ? x * 2 : x + 1
ParameterExpression x = Expression.Parameter(typeof(int), "x");

// 条件判断
BinaryExpression condition = Expression.GreaterThan(x, Expression.Constant(0));

// true分支
BinaryExpression trueExpr = Expression.Multiply(x, Expression.Constant(2));

// false分支
BinaryExpression falseExpr = Expression.Add(x, Expression.Constant(1));

// 条件表达式
ConditionalExpression conditional = 
    Expression.Condition(condition, trueExpr, falseExpr);

var lambda = Expression.Lambda<Func<int, int>>(conditional, x);

4.2 循环表达式

虽然表达式树不支持直接的for/while循环，但可以通过递归模拟：

// 递归实现阶乘
ParameterExpression n = Expression.Parameter(typeof(int), "n");
ParameterExpression result = Expression.Variable(typeof(int), "result");

LabelTarget label = Expression.Label(typeof(int));

BlockExpression block = Expression.Block(
    new[] { result },
    Expression.Assign(result, Expression.Constant(1)),
    Expression.Loop(
        Expression.IfThenElse(
            Expression.GreaterThan(n, Expression.Constant(1)),
            Expression.Block(
                Expression.MultiplyAssign(result, n),
                Expression.PostDecrementAssign(n)),
            Expression.Break(label, result)
        ),
        label
    )
);

var factorial = Expression.Lambda<Func<int, int>>(block, n);

4.3 异常处理

// try { 10/x } catch { -1 }
ParameterExpression x = Expression.Parameter(typeof(int), "x");
ConstantExpression ten = Expression.Constant(10);
ConstantExpression minusOne = Expression.Constant(-1);

TryExpression tryCatchExpr = Expression.TryCatch(
    Expression.Block(
        Expression.Divide(ten, x)
    ),
    Expression.Catch(
        typeof(DivideByZeroException),
        minusOne
    )
);

var lambda = Expression.Lambda<Func<int, int>>(tryCatchExpr, x);

五、表达式树的调试与分析

5.1 可视化表达式树

使用ExpressionTreeVisualizer工具或直接输出：

Expression<Func<int, int, int>> expr = (a, b) => (a + b) * 2;
Console.WriteLine(expr.ToString());

// 输出：
// (a, b) => ((a + b) * 2)

5.2 分解表达式树

void AnalyzeExpression(Expression expr, int indent = 0)
{
    string padding = new string(' ', indent * 2);
    Console.WriteLine($"{padding}NodeType: {expr.NodeType}");
    Console.WriteLine($"{padding}Type: {expr.Type}");
    
    if (expr is BinaryExpression binary)
    {
        Console.WriteLine($"{padding}Left:");
        AnalyzeExpression(binary.Left, indent + 1);
        Console.WriteLine($"{padding}Right:");
        AnalyzeExpression(binary.Right, indent + 1);
    }
    else if (expr is LambdaExpression lambda)
    {
        foreach (var param in lambda.Parameters)
        {
            Console.WriteLine($"{padding}Param: {param.Name}");
        }
        AnalyzeExpression(lambda.Body, indent + 1);
    }
}

六、性能优化建议

缓存编译结果：重复使用已编译的委托

private static readonly Func<Person, bool> cachedFilter = 
   lambda.Compile();

避免频繁编译：编译操作比较耗时

使用Expression.Quote处理嵌套Lambda：

Expression<Func<IQueryable<User>, IOrderedQueryable<User>>> expr = 
   q => q.OrderBy(u => u.Name);

优先使用简单表达式：复杂表达式会增加编译时间
考虑使用FastExpressionCompiler等第三方库提升性能

七、实际应用案例

7.1 动态筛选器

IQueryable<Employee> DynamicFilter(IQueryable<Employee> source, 
    string propertyName, object value)
{
    var param = Expression.Parameter(typeof(Employee), "e");
    var prop = Expression.Property(param, propertyName);
    var constant = Expression.Constant(value);
    var equal = Expression.Equal(prop, constant);
    var lambda = Expression.Lambda<Func<Employee, bool>>(equal, param);
    
    return source.Where(lambda);
}

7.2 对象映射

Expression<Func<Source, Destination>> CreateMapper<Source, Destination>()
{
    var sourceParam = Expression.Parameter(typeof(Source), "src");
    var bindings = new List<MemberBinding>();
    
    foreach (var destProp in typeof(Destination).GetProperties())
    {
        var srcProp = typeof(Source).GetProperty(destProp.Name);
        if (srcProp != null)
        {
            var propExpr = Expression.Property(sourceParam, srcProp);
            bindings.Add(Expression.Bind(destProp, propExpr));
        }
    }
    
    return Expression.Lambda<Func<Source, Destination>>(
        Expression.MemberInit(Expression.New(typeof(Destination)), bindings),
        sourceParam);
}

八、常见问题与解决方案

Q1：表达式树和委托有什么区别？

A1：委托是编译好的可执行代码，而表达式树是可分析的数据结构。表达式树可以转换为委托，但反之不行。

Q2：为什么我的Lambda不能转换为表达式树？

A2：只有满足以下条件的Lambda才能自动转换： - 不包含语句体（只能是表达式） - 不包含赋值操作 - 不包含动态类型

Q3：如何调试表达式树编译错误？

A3： 1. 逐步检查每个表达式节点 2. 使用Expression.ToString()查看部分结构 3. 验证所有使用的成员和方法是否存在

Q4：表达式树有性能开销吗？

A4： - 构建表达式树开销很小 - 编译为委托的开销较大（需缓存结果） - 执行编译后的委托与普通委托性能相当

九、总结

表达式树是C#中强大的元编程工具，通过本文我们学习了： 1. 四种创建表达式树的方法 2. 高级构建技巧（条件、循环、异常） 3. 调试与分析方法 4. 实际应用场景 5. 性能优化策略

掌握表达式树可以极大地提升动态代码生成能力，为构建灵活的系统架构提供强大支持。建议从简单示例开始，逐步尝试更复杂的场景，最终将其应用到实际项目中。 “`