趣味编程：C#中Specification模式的实现（参考答案 - 下）

上一篇文章中我们利用C#语言的特性实现了一种轻量级的Specification模式，它的关键在于抛弃了具体的Specification类型，而是使用一个委托对象代替唯一关键的IsSatisfiedBy方法逻辑。据我们分析，其优势之一在于使用简单，其劣势之一在于无法静态表示。但是它们还都是在处理“业务逻辑”，如果涉及到一个用于LINQ查询或其他地方的表达式树，则问题就不那么简单了——但也没有我们想象的那么复杂。

好，那么我们就把场景假想至LINQ上。LINQ与普通业务逻辑不同的地方在于，它不是用一个IsSatisfiedBy方法或一个委托对象用来表示判断逻辑，而是需要构造一个表达式树，一种数据结构。如果您还不清楚表达式树是什么，那么可以看一下脑袋的写的上手指南。这是.NET 3.5带来的重要概念，在4.0中又得到了重要发展，如果您要在.NET方面前进，这是一条必经之路。

And、Or和Not之间，最容易处理的便是Not方法，于是我们从这个地方下手，直接来看它的实现：

public static class SpecExprExtensions
{
    public static Expression<Func<T, bool>> Not<T>(this Expression<Func<T, bool>> one)
    {
        var candidateExpr = one.Parameters[0];
        var body = Expression.Not(one.Body);

        return Expression.Lambda<Func<T, bool>>(body, candidateExpr);
    }
}

一个Expression<TDelegate>对象中主要有两部分内容，一是参数，二是表达式体（Body）。对于Not方法来说，我们只要获取它的参数表达式，再将它的Body外包一个Not表达式，便可以此构造一个新的表达式了。这部分逻辑非常简单，看了脑袋的文章，了解了表达式树的基本结构就能理解这里的含义。那么试验一下：

Expression<Func<int, bool>> f = i => i % 2 == 0;
f = f.Not();

foreach (var i in new int[] { 1, 2, 3, 4, 5, 6 }.AsQueryable().Where(f))
{
    Console.WriteLine(i);
}

打印出来的自然是所有的奇数，即1、3、5。

而And和Or的处理上会有所麻烦，我们不能这样像Not一样简单处理：

public static Expression<Func<T, bool>> And<T>(
    this Expression<Func<T, bool>> one, Expression<Func<T, bool>> another)
{
    var candidateExpr = one.Parameters[0];
    var body = Expression.And(one.Body, another.Body);
    return Expression.Lambda<Func<T, bool>>(body, candidateExpr);
}

这么做虽然能够编译通过，但是在执行时便会出错。原因在于one和another两个表达式虽然都是同样的形式（Expression<Func<T, bool>>），但是它们的“参数”不是同一个对象。也就是说，one.Body和another.Body并没有公用一个ParameterExpression实例，于是我们无论采用哪个表达式的参数，在Expression.Lambda方法调用的时候，都会告诉您新的body中的某个参数对象并没有出现在参数列表中。

于是，我们如果要实现And和Or，做的第一件事情便是统一两个表达式树的参数，于是我们准备一个ExpressionVisitor：

internal class ParameterReplacer : ExpressionVisitor
{
    public ParameterReplacer(ParameterExpression paramExpr)
    {
        this.ParameterExpression = paramExpr;
    }

    public ParameterExpression ParameterExpression { get; private set; }

    public Expression Replace(Expression expr)
    {
        return this.Visit(expr);
    }

    protected override Expression VisitParameter(ParameterExpression p)
    {
        return this.ParameterExpression;
    }
}

ExpressionVisitor几乎是处理表达式树这种数据结构的不二法门，它可以用于求值，变形（其实是生成新的结构，因为表达式树是immutable的数据结构）等各种操作。例如，解决表达式树的缓存时用它来求树的散列值或读写前缀树，快速计算表达式时用它来提取表达式树的参数，并将不同的表达式树“标准化”为相同的结构。

ExpressionVisitor基类的关键，就在于提供了遍历表达式树的标准方式，如果您直接继承这个类并调用Visit方法，那么最终返回的结果便是传入的Expression参数本身。但是，如果您覆盖的任意一个方法，返回了与传入时不同的对象，那么最终的结果就会是一个新的Expression对象。ExpressionVisitor类中的每个方法都负责一类表达式，也都都遵循了类似的原则：它们会递归地调用Visit方法，如果Visit返回新对象，那么它们也会构造新对象并返回。

ParameterReplacer类的作用是将一个表达式树里的所有ParameterExpression替换成我们指定的新对象，因此只需覆盖VisitParameter方法就可以了。有了它之后，And和Or方法的实现轻而易举：

public static Expression<Func<T, bool>> And<T>(
    this Expression<Func<T, bool>> one, Expression<Func<T, bool>> another)
{
    var candidateExpr = Expression.Parameter(typeof(T), "candidate");
    var parameterReplacer = new ParameterReplacer(candidateExpr);

    var left = parameterReplacer.Replace(one.Body);
    var right = parameterReplacer.Replace(another.Body);
    var body = Expression.And(left, right);

    return Expression.Lambda<Func<T, bool>>(body, candidateExpr);
}

public static Expression<Func<T, bool>> Or<T>(
    this Expression<Func<T, bool>> one, Expression<Func<T, bool>> another)
{
    var candidateExpr = Expression.Parameter(typeof(T), "candidate");
    var parameterReplacer = new ParameterReplacer(candidateExpr);

    var left = parameterReplacer.Replace(one.Body);
    var right = parameterReplacer.Replace(another.Body);
    var body = Expression.Or(left, right);

    return Expression.Lambda<Func<T, bool>>(body, candidateExpr);
}

于是，我们最终构造得到的Expression<Func<T, bool>>对象便可以传入一个LINQ Provider，最终得到查询结果：

Expression<Func<int, bool>> f = i => i % 2 == 0;
f = f.Not().And(i => i % 3 == 0).Or(i => i % 4 == 0);

foreach (var i in new int[] { 1, 2, 3, 4, 5, 6 }.AsQueryable().Where(f))
{
    Console.WriteLine(i);
}

输出的结果是3和4。

这种做法是非常有实用价值的。因为有了LINQ，因此许多朋友都会选择在数据访问层暴露一个这样的方法给上层调用：

class ProductDao
{
    public Product GetProduct(Expression<Func<Product, bool>> predicate)
    {
        ...
    }
}

但是您有没有想过这么做的缺点是什么呢？这么做的缺点便是“过于自由”。由于GetProduct方法只将参数限制为一个Expression<Func<Product, bool>>对象，因此在调用的时候，我们可以使用任意的形式进行传递。因此，外层完全有可能传入一个目前LINQ Provider不支持的表达式树形式，也完全有可能传入一个虽然支持，但会导致查询速度慢，影响项目整体性能的表达式树。前者要在运行时才抛出异常，而后者则引发的性能问题则更难发现。因此我认为，数据访问层不应该如此自由，它要做出限制。而限制的方式，便是使用Query Object模式，让GetProduct方法接受一个受限的Criteria对象：

public abstract class ProductCriteria
{
    internal ProductCriteria(Expression<Func<Product, bool>> query)
    {
        this.Query = query;
    }

    public Expression<Func<Product, bool>> Query { get; private set; }
}

class ProductDao
{
    public Product GetProduct(ProductCriteria predicate)
    {
        ...
    }
}

而在使用时，我们只提供有限的几种条件，如：

public class ProductIdEqCriteria : ProductCriteria
{
    public ProductIdEqCriteria(int id)
        : base(p => p.ProductID == id)
    { }
}

public class ProductViewRangeCriteria : ProductCriteria
{
    public ProductViewRangeCriteria(int min, int max)
        : base(p => p.ViewCount > min && p.ViewCount < max)
    { }
}

再加上配套的扩展方法用于And，Or，Not，于是一切尽在掌握。现在再去瞅瞅原Query Object模式中复杂的实现，您是否会有一种满足感？