C# 表达式树详解-优快云博客

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前言

在 C# 中，表达式树（Expression Trees）是一种强大的特性，允许开发者将代码表示为数据结构。这使得我们可以在运行时动态地创建和操作代码逻辑，广泛应用于 LINQ 查询、动态方法生成以及反射等领域。本文将深入探讨 C# 表达式树的创建、操作和应用场景。

一、什么是表达式树？

1. 定义

表达式树是一种树状数据结构，将代码表示为一棵树，其中每个节点代表一个操作或数据（如属性访问、方法调用、运算等）。例如，表达式 x + y 可拆解为三个节点：参数 x、参数 y 和加法运算符。

在 C# 中，表达式树由 System.Linq.Expressions 命名空间中的类来表示。表达式树在C#中广泛应用于动态LINQ查询、动态编译等领域。

表达式树是一种数据结构，用于表示代码的逻辑结构(代码中的逻辑和运算)。与普通的委托不同，表达式树不是直接执行代码，而是将其转换为一个可查询和操作的对象模型。这使得我们可以动态地构建、分析和修改代码逻辑。

2. 表达式树的基本组件

Expression：表示表达式树的根节点或子表达式。
- ParameterExpression：表示方法的参数。
- MemberExpression：表示对对象成员（如属性或字段）的访问。
- MethodCallExpression：表示对方法的调用。
- BinaryExpression：表示二元运算（如加法、比较等）。
- UnaryExpression：表示一元运算（如取反、递增等）。
- ConstantExpression：表示常量值。
- LambdaExpression：表示Lambda表达式主体。

2. 与委托和 Lambda 的区别

特性	表达式树	委托
表现形式	可分析的树结构	编译后的IL指令
运行时行为	可动态修改和重组	固定不可变
主要用途	代码生成、动态查询	直接方法调用
执行方式	需编译为委托后执行	直接调用

• 委托：编译时确定的函数指针，直接执行代码。
• Lambda 表达式：可隐式转换为委托或表达式树。
• 表达式树：将代码逻辑存储为数据结构，支持运行时动态解析和修改。

3. 核心特性

• 不可变性：创建后无法修改，每次操作生成新树。
• 可编译性：通过 Compile() 方法生成委托执行。
• 高效性：相比反射，编译后的表达式树性能接近原生代码。

4. 表达式树的组成部分

一个典型的表达式树包含以下几个部分：

参数：使用 ParameterExpression 定义lambda表达式的参数。
主体：表达式树的主体可以是单一的表达式或多个表达式的组合，例如二元表达式 BinaryExpression 用于表示加法、乘法等操作。
lambda表达式：将参数和主体组合成一个lambda表达式，使用 Expression.Lambda 方法创建。

二、表达式树构建方式

1. 通过Lambda自动转换

Expression<Func<int, bool>> expr = num => num > 10 && num < 20;

public class Program
{
   
   
    public static void Main()
    {
   
   
        Expression<Func<int, bool>> expr = num => num > 10 && num < 20;
        Console.WriteLine(expr.ToString()); //输出：num => ((num > 10) AndAlso (num < 20))

        //编译并执行表达式树
        Func<int, bool> func = expr.Compile();        
        Console.WriteLine(func.Invoke(18)); //输出：True
    }
}

2. 手动构建表达式树

1）创建简单的表达式树

示例 1

表达式树通常使用 System.Linq.Expressions 命名空间中的类来构建。以下是一个简单的例子，展示如何创建一个基本的表达式树：

using System;
using System.Linq.Expressions;

public class Program
{
   
   
    public static void Main()
    {
   
   
        // 创建参数表达式 x
        ParameterExpression param = Expression.Parameter(typeof(int), "x");

        // 创建常量表达式 5
        ConstantExpression five = Expression.Constant(5, typeof(int));

        // 创建二元表达式 x + 5
        BinaryExpression add = Expression.Add(param, five);

        // 创建表达式树 x => (x + 5)
        Expression<Func<int, int>> expressionTree = Expression.Lambda<Func<int, int>>(add, param);
        Console.WriteLine(expressionTree);  // 输出: x => (x + 5)

        // 编译并执行表达式树
        Func<int, int> compiledFunc = expressionTree.Compile();
        Console.WriteLine(compiledFunc(10)); // 输出: 15
    }
}

示例 2

以下示例展示了如何创建一个简单的表达式树，该树表示两个数相加的表达式：

public class Program
{
   
   
    public static void Main()
    {
   
   
        // 创建参数表达式
        ParameterExpression a = Expression.Parameter(typeof(int), "a");
        ParameterExpression b = Expression.Parameter(typeof(int), "b");

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

        // 创建 lambda 表达式
        Expression<Func<int, int, int>> lambda = Expression.Lambda<Func<int, int, int>>(add, a, b);
        Console.WriteLine(lambda);  // 输出：(a, b) => (a + b)

        // 编译并调用表达式树
        Func<int, int, int> func = lambda.Compile();
        int result = func(2, 3);
        Console.WriteLine($"Result: {
     
     result}"); // 输出: Result: 5
    }
}

2）构建复杂的表达式树

除了简单的算术运算，我们还可以构建更复杂的表达式树，例如条件判断、方法调用等。

示例1：基本组合

using System;
using System.Linq.Expressions;
public class Program
{
   
   
    public static void Main()
    {
   
   
        // 定义参数
        ParameterExpression x = Expression.Parameter(typeof(int), "x");
        // 创建表达式：x * 2
        BinaryExpression multiply = Expression.Multiply(x, Expression.Constant(2));
        // 创建表达式：x * 2 + 3
        BinaryExpression add = Expression.Add(multiply, Expression.Constant(3));
        // 创建lambda表达式
        Expression<Func<int, int>> lambda = Expression.Lambda<Func<int, int>>(add, x);
        // 输出lambda表达式
        Console.WriteLine(lambda); // 输出: x => (x * 2 + 3)
        // 编译lambda表达式
        Func<int, int> compiledLambda = lambda.Compile();
        // 执行编译后的lambda表达式
        int result = compiledLambda(5);
        Console.WriteLine($"Result of compiled lambda: {
     
     result}"); // 输出: 13
    }
}

示例2：条件判断

下面的例子展示了如何构建一个包含条件判断的表达式树：

using System;
using System.Linq.Expressions;

public class Program
{
   
   
    public static void Main()
    {
   
   
        // 创建参数表达式 x
        ParameterExpression param = Expression.Parameter(typeof(int), "x");

        // 创建常量表达式 10
        ConstantExpression ten = Expression.Constant(10, typeof(int));

        // 创建条件表达式 x > 10
        BinaryExpression greaterThan = Expression.GreaterThan(param, ten);

        // 创建 if-true 表达式 x * 2
        BinaryExpression trueResult = Expression.Multiply(param, Expression.Constant(2, typeof(int)));

        // 创建 if-false 表达式 x - 1
        BinaryExpression falseResult = Expression.