C#中的Lambda表示式和表示式樹

在C# 2.0中，通過方法組轉換和匿名方法，使委託的實現得到了極大的簡化。但是，匿名方法仍然有些臃腫，而且當程式碼中充滿了匿名方法的時候，可讀性可能就會受到影響。C# 3.0中出現的Lambda表示式在不犧牲可讀性的前提下，進一步簡化了委託。

LINQ的基本功能就是建立操作管道，以及這些操作需要的任何狀態。這些操作表示了各種關於資料的邏輯，例如資料篩選，資料排序等等。通常這些操作都是用委託來表示。Lambda表示式是對LINQ資料操作的一種符合語言習慣的表示方式。

Lambda表示式不僅可以用來建立委託例項，C#編譯器也能夠將他們轉換成表示式樹。

下面我們就先看看Lambda表示式。

作為委託的Lambda表示式

Lambda表示式可以看作是C# 2.0的匿名方法的進一步演變，所以匿名方法能做的幾乎一切事情都可以用Lambda表示式來完成（注意，匿名方法可以忽略引數，Lambda表示式不具備這個特性）。

跟匿名方法類似，Lambda表示式有特殊的轉換規則：表示式的型別本身並非委託型別，但它可以通過隱式或顯式的發那個是轉換為一個委託例項。匿名函式這個術語同時涵蓋了匿名方法和Lambda表示式。

下面看看使用Lambda表示式獲得字串長度的例子，通過Lambda將得到更見簡潔、易讀的程式碼：

static void Main(string[] args)
{
    //使用C# 2.0中的匿名方法獲取字串長度
    Func<string, int> strLength = delegate(string str) { return str.Length; };
    Console.WriteLine(strLength("Hello World!"));

    //使用Lambda表示式
    //（顯式型別引數列表）=> {語句}，lambda表示式最冗長版本
    strLength = (string str) => { return str.Length; };
    Console.WriteLine(strLength("Hello World!"));

    //單一表示式作為主體
    //（顯式型別引數列表）=> 表示式
    strLength = (string str) => str.Length;
    Console.WriteLine(strLength("Hello World!"));

    //隱式型別的引數列表
    //（隱式型別引數列表）=> 表示式
    strLength = (str) => str.Length;
    Console.WriteLine(strLength("Hello World!"));

    //單一引數的快捷語法
    //引數名 => 表示式
    strLength = str => str.Length;
    Console.WriteLine(strLength("Hello World!"));
}

“=>”是C# 3.0新增的，告訴編譯器我們正在使用Lambda表示式。”=>”可以讀作”goes to”，所以例子中的Lambda表示式可以讀作”str goes to str.Length”。從例子中還可以看到，根據Lambda使用的特殊情況，我們可以進一步簡化Lambda表示式。

Lambda表示式大多數時候都是和一個返回非void的委託型別配合使用（例如Func<TResult>）。在C# 1.0中，委託一般用於事件，很少會返回什麼結果。在LINQ中，委託通常被視為資料管道的一部分，接受輸入並返回結果，或者判斷某項是否符合當前的篩選 器等等。

Lambda表示式本質

通過ILSpy檢視上面的例子，可以發現Lambda表示式就是匿名方法，是編譯器幫我們進行了轉換工作，使我們可以直接使用Lambda表示式來進一步簡化建立委託例項的程式碼。

在List<T>中使用Lambda表示式

前面簡單的介紹了什麼是Lambda表示式，下面通過一個例子進一步瞭解Lambda表示式。

在前面的文章中，我們也提到了一下List<T>的方法，例如FindAll方法，引數是Predicate<T>型別的 委託，返回結果是一個篩選後的新列表；Foreach方法獲取一個Action<T>型別的委託，然後對每個元素設定行為。下面就看看在 List<T>中使用Lambda表示式：

public class Book
{
    public string Name { get; set; }
    public int Year { get; set; }
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var books = new List<Book>
        {
            new Book{Name="C# learning guide",Year=2005},
            new Book{Name="C# step by step",Year=2005},
            new Book{Name="Java learning guide",Year=2004},
            new Book{Name="Java step by step",Year=2004},
            new Book{Name="Python learning guide",Year=2003},
            new Book{Name="C# in depth",Year=2012},
            new Book{Name="Java in depth",Year=2014},
            new Book{Name="Python in depth",Year=2013},
        };

        //建立一個委託例項來表示一個通用的操作
        Action<Book> printer = book => Console.WriteLine("Name = {0}, Year = {1}", book.Name, book.Year);

        books.ForEach(printer);

        //使用Lambda表示式對List<T>進行篩選
        books.FindAll(book => book.Year > 2010).ForEach(printer);

        books.FindAll(book => book.Name.Contains("C#")).ForEach(printer);

        //使用Lambda表示式對List<T>進行排序
        books.Sort((book1, book2) => book1.Name.CompareTo(book2.Name));
        books.ForEach(printer);

        Console.Read();
    }
}

從上面例子可以看到，當我們要經常使用一個操作的時候，我們最好建立一個委託例項，然後反覆呼叫，而不是每次使用的時候都使用Lambda表示式（例如例子中的printer委託例項）。

相比C# 1.0中的委託或者C# 2.0的匿名函式，結合Lambda表示式，對List<T>中的資料操作變得簡單，易讀。

表示式樹

表示式樹也稱表示式目錄樹，將程式碼以一種抽象的方式表示成一個物件樹，樹中每個節點本身都是一個表示式。表示式樹不是可執行程式碼，它是一種資料結構。

下面我們看看怎麼通過C#程式碼建立一個表示式樹。

構建表示式樹

System.Linq.Expressions名稱空間中包含了代表表示式的各個類，所有類都從Expression派生，我們可以通過這些類中的靜態方法來建立表示式類的例項。Expression類包括兩個重要屬性：

• Type屬性代表求值表示式的.NET型別，可以把它視為一個返回型別
• NodeType屬性返回所代表的表示式的型別

下面看一個構建表示式樹的簡單例子：

Expression numA = Expression.Constant(6);
Console.WriteLine("NodeType: {0}, Type: {1}", numA.NodeType, numA.Type);
Expression numB = Expression.Constant(3);
Console.WriteLine("NodeType: {0}, Type: {1}", numB.NodeType, numB.Type);

BinaryExpression add = Expression.Add(numA, numB);
Console.WriteLine("NodeType: {0}, Type: {1}", add.NodeType, add.Type);

Console.WriteLine(add);
Console.Read();

程式碼的輸出為：

通過例子可以看到，我們構建了一個(6+3)的表示式樹，並且檢視了各個節點的Type和NodeType屬性。

Expression有很多派生類，有很多節點型別。例如，BinaryExpression就代表了具有兩個操作樹的任意操作。這正是NodeType屬性重要的地方，它能區分由相同的類表示的不同種類的表示式。其他的節點型別就不介紹了，有興趣可以參考MSDN。

對於上面的例子，可以用下圖描述生成的表示式樹，值得注意的是，”葉子”表示式在程式碼中是最先建立的，，表示式是自下而上構建的。表示式是不易變的，所有可以快取和重用表示式。

將表示式編譯成委託

LambdaExpression是從Expression派生的型別之一。泛型型別Expression<TDelegate>又是從LambdaExpress派生的。

Expression和Expression<TDelegate>的區別在於，泛型類以靜態型別的方式標誌了它是什麼種類的表示式，也就是說，它確定了返回型別和引數。例如上面的加法例子，返回值是一個int型別，沒有引數，所以我們可以使用簽名Func<int>與之匹配，所以可以用Expression<Func<int>>以靜態型別的方式來表示該表示式。

這樣做的目的在於，LambdaExpression有一個Compile方法，該方法能建立一個恰當型別的委託。 Expression<TDelegate>也有一個同名方法，該方法可以返回TDelegate型別的委託。獲得了委託之後，我們就可以使 用普通委託例項呼叫的方式來執行這個表示式。

接著上面加法的例子，我們把上面的加法表示式樹轉換成委託，然後執行委託：

Func<int> addDelegate = Expression.Lambda<Func<int>>(add).Compile();
Console.WriteLine(addDelegate());

從這個例子中我們看到怎麼構建一個表示式樹，然後把這個物件樹編譯成真正的程式碼。在.NET 3.5中的表示式樹只能是單一的表示式，不能表示完整的類、方法。這在.NET 4.0中得到了一定的改進，表示式樹可以支援動態型別，我們可以建立塊，為表示式賦值等等。

將Lambda表示式轉換為表示式樹

Lambda表示式不僅可以建立委託例項，C# 3.0對於將Lambda表示式轉換成表示式樹提供了內建的支援。我們可以通過編譯器把Lambda表示式轉換成一個表示式樹，並建立一個Expression<TDelegate>的一個例項。

下面的例子中我們將一個Lambda表示式轉換成一個表示式樹，並通過程式碼檢視錶達式樹的各個部分：

static void Main(string[] args)
{
    //將Lambda表示式轉換為型別Expression<T>的表示式樹
    //expression不是可執行程式碼
    Expression<Func<int, int, int>> expression = (a, b) => a + b;

    Console.WriteLine(expression);
    //獲取Lambda表示式的主體
    BinaryExpression body = (BinaryExpression)expression.Body;
    Console.WriteLine(expression.Body);
    //獲取Lambda表示式的引數
    Console.WriteLine(" param1: {0}, param2: {1}", expression.Parameters[0], expression.Parameters[1]);
    ParameterExpression left = (ParameterExpression)body.Left;
    ParameterExpression right = (ParameterExpression)body.Right;
    Console.WriteLine(" left body of expression: {0}{4} NodeType: {1}{4} right body of expression: {2}{4} Type: {3}{4}", left.Name, body.NodeType, right.Name, body.Type, Environment.NewLine);

    //將表示式樹轉換成委託並執行
    Func<int, int, int> addDelegate = expression.Compile();
    Console.WriteLine(addDelegate(10, 16));
    Console.Read();
}

程式碼的輸出為：

表示式樹的用途

前面看到，通過Expression的派生類中的各種節點型別，我們可以構建表示式樹；然後可以把表示式樹轉換成相應的委託型別例項，最後執行委託例項的程式碼。但是，我們不會繞這麼大的彎子來執行委託例項的程式碼。

表示式樹主要在LINQ to SQL中使用，我們需要將LINQ to SQL查詢表示式（返回IQueryable型別）轉換成表示式樹。之所以需要轉換是因為LINQ to SQL查詢表示式不是在C#程式碼中執行的，LINQ to SQL查詢表示式被轉換成SQL，通過網路傳送，最後在資料庫伺服器上執行。

這裡只做個簡單的介紹，後續會介紹LINQ to SQL相關的內容。

編譯器對Lambda表示式的處理

前面我們瞭解到，Lambda可以用來建立委託例項，也可以用來生成表示式樹，這些都是編譯器幫我們完成的。

編譯器如何決定生成可執行的IL還是一個表示式樹：

• 當Lambda表示式賦予一個委託型別的變數時，編譯器生成與匿名方法同樣的IL（可執行的委託例項）
• 當Lambda表示式賦予一個Expression型別的變數時，編譯器就將它轉換成一個表示式樹

下圖展示了LINQ to Object和LINQ to SQL中Lambda表示式的不同處理方式：

總結

本文中介紹了Lambda表示式，在匿名方法的基礎上進一步簡化了委託例項的建立，編寫更加簡潔、易讀的程式碼。匿名函式不等於匿名方法，匿名函式包含了匿名方法和lambda表示式這兩種概念

Lambda不僅可以建立委託例項，還可以由編譯器轉換成表示式樹，使程式碼可以在程式之外執行（參考LINQ to SQL）。