运算表达式类的原理及其实现

运算表达式类的原理及其实现

运算表达式在编程中是一个很重要的概念，但是实际工作中，需要使用到运算表达式的机会并不太多。但是日前在研究报表系统的时候，发现了它的用处，于是就研究了一下，做了一个比较运算表达式类。

我的表达式类的实现主要使用了visitor模式。这个类的实现核心分为两个部分，一个部分是具体的表达式类，比如 AddExpression，EqExpression类，他们的工作就是保存语义，把 +、-、*、/等操作记住。另外一部分就是具体的转换类，这里叫做Calculator,他们负责把表达式运算为所需要的结果，通过使用不同的Calculator，我们可以运算出整个表达式的值，也可以把表达式转化为其他的表示形式，比如xml格式等等。我们先看一个例子：

[代码1]

 void Sample
 {
  Expression expr;
  ICalculator cal = new Expressions.AlgorithmCalculator();
  IContext context = Expression.DefaultContext;

  expr = (Expression)3 + (Expression)4;
  Console.WriteLine(expr.ToXml());
  
  string text = "<add><int>3</int><int>4</int></add>";
  expr = Expression.FromXml(text);

  Console.WriteLine(expr.ToXml());
 }

 

这个例子是从我的测试用例中摘录下来的。表达式类的基本用法就和代码中的表达式形式差不多，目的是为了直观和简单使用。代码1中的工作是把表达式变成xml形式并从xml形式中重新构造一个新的表达式。虽然从中我们不能很明显看出表达式的两个部分的关系，但是这一段代码应该可以让你看得很明显，这是Expression.FromXml和ToXml的实现代码：

[代码2]

  static public Expression FromXml(XmlNode root, )
  {
   XmlExpression xe = new XmlExpression(root);
   Expression expr = new Expression(xe);

   
   return (Expression) xe.Evaluate(new FromXmlCalculator(), new XmlContext(expr));
  }

  public DataElement ToDataElement()
  {
   return (DataElement)Evaluate(new XmlCalculator(), new XmlContext(this));
  }
  
  public string ToXml()
  {
   DataElement element = ToDataElement();
   return element.ToString();
  }

大家从代码2中就可以看到，原来Expression的ToXml和FromXml就是用专门的Calculator来实现出来的。既然Calculator可以实现这样的效果，其他效果我们也一定可以实现。在文章的源代码中，我提供了两个实现：MSSQLCalaulator负责把表达式变成Microsoft SQL Server 2000格式的sql语句，HibernteExpressionCalculator负责把表达式变成NHibernate的表达式形式。

我是如何实现的？如果您有好奇心的话，一定会想这样问我。别着急，这就给您慢慢道来。首先看一下所有表达式类的基类定义：

[代码3]

 /**//// <summary>
 /// 抽象的运算表达式接口
 /// </summary>
 public interface IOperation
 {
  /**//// <summary>
  /// 计算表达式的值
  /// </summary>
  /// <param name="cal">计算器</param>
  /// <returns>计算之后的值</returns>
  /// <remarks>
  /// 计算器是专门根据不同类型的需求，实际进行操作运算的接口
  /// </remarks>
  object Evaluate( ICalculator cal, IContext context ); 
 }

从这个接口我派生出来了ConstValueExpression，UnaryExpression，BinaryExpression，TripleExpression。他们之间的差别仅仅是内涵的参数不同而已，分别是0个，1个，2个和3个参数，用来避免我写重复代码而已，并不重要，重要的是IOperation中的函数Evaluate。

Evaluate是最重要的函数，它负责传递给表达式Calculator和Context，上文已经说过Calculator的用处了，您可以把Context看成是一个参数的容器，因为IOperation或者Calculator在工作的时候，或多或少需要知道一些调用环境的特殊信息，Context的作用就是把这些信息传过来，至于到底传哪些信息，就看使用者您的需要了，大家看IContext的接口定义可以知道的更清楚：

[代码4]

 /**//// <summary>
 /// 负责为计算时候提供额外的信息
 /// </summary>
 public interface IContext
 {
 }

原来接口IContext定义里边就是空的，不过为了实现上文的Expression的XML存取，我倒是实现了自己专用的Context，它负责把Calculator不认识的表达式或者xml节点放到事件中撒播出去，让用户自己去处理，我的 Context 如下：

[代码5]

  public class XmlContext : IContext
  {
   Expression m_Expr;
   private XmlNode m_Node;

   /**//// <summary>
   /// 当前的节点
   /// </summary>
   public XmlNode Node { get { return m_Node; } set { m_Node = value; } }

   public XmlContext(Expression expr){m_Expr = expr;}

   public IOperation UnknownXmlNode(string operation, object[] parameters)
   {
    return m_Expr.OnUnknownXmlNode(m_Node, operation, this, parameters);
   }

   public DataElement UnknownOperation(string operation, object[] parameters)
   {
    return m_Expr.OnUnknownOperation(operation, this, parameters);
   }
  }

大家看到了吗？我的这个Context就是把不认识的节点撒播出去，让程序员自己挂接事件来处理这些不认识的东西，它和我专用的Calculator配合的很好：
[代码6]

  public object Extension(string operation, IContext context, params object[] parameters)
  {
   if( context is Expression.XmlContext )
   {
    Expression.XmlContext xc = (Expression.XmlContext)context;
    return xc.UnknownOperation(operation, parameters);
   }

   throw new NotSupportedException("不能支持操作:" + operation);
  }

提了事件当然就不能不提表达式类的扩展性了，我们先看看表达式本身有哪些限制，看一下ICalculator的定义吧：

[代码7]

 /**//// <summary>
 /// ICalculator 的摘要说明。
 /// 负责把表达式变成实际结果的抽象接口
 /// </summary>
 public interface ICalculator
 {
  object Add(object left, object right, IContext context);
  
  object Mod(object left, object right, IContext context);

  object Eq(object left, object right, IContext context);
  
  object LessEq(object left, object right, IContext context);

  object And(object left, object right, IContext context);
  object Or(object left, object right, IContext context);

  object BitAnd(object left, object right, IContext context);
  object BitOr(object left, object right, IContext context);
  object BitNot(object val, IContext context);

  object Plus(object val, IContext context);
  object Neg(object val, IContext context);

  object Not(object val, IContext context);

  object BoolValue(bool val, IContext context);  
  
  object DateTimeValue(DateTime val, IContext context);
         object MemberRefValue(Member val, IContext context);
         object MemberRefValue(LooseMember val, IContext context);

  object Extension(string operation, IContext context, params object[] parameters);
     }

熟悉设计模式的大虾立马就可以看出来了，典型的visitor模式。ICalculator实现了几乎所有的运算操作接口，而那些AddExpression之类的东西所作的事情无非就是把自己的参数传递给ICalculator适当的接口函数中去而已。既然是visitor模式，当然ICalculator就有visitor模式固有的缺陷：扩展性不好！

如果我要实现一个between的操作，我就要来修改 ICalculator 接口的定义，增加一个接口
  object Between(object cond, object low, object high, IContext);
然后还要到每一个实现了ICalculator的类中增加这个Between的实现，哦，这样做简直就是噩梦！为了避免这个噩梦，我在ICalculator中增加了Extension接口函数，让所有自己定义的表达式都来调用Extension。看看我扩展的BetweenExpression吧：
[代码8]

 public class BetweenExpression
  : TripleExpression
 {
  
  
  override public object Evaluate( ICalculator cal, IContext context )
  {
   return cal.Extension( BETWEEN, context
       ,base.m_Left.Evaluate(cal, context)
       ,base.m_Middle.Evaluate(cal, context)
       ,base.m_Right.Evaluate(cal, context), context);
  }
 }

然后在实现自己的Calculator中把Extension实现一下就可以了，我的 MSSQLCalculator 的实现如下：
[代码9]

  public object Extension(string operation, IContext context, params object[] parameters)
  {
   if( operation == LikeExpression.LIKE )
    return Like(parameters[0], parameters[1], context);
   else if( operation == BetweenExpression.BETWEEN )
    return Between(parameters[0], parameters[1], parameters[2], context);
    
   else if( context is Expressions.ICallbackContext )
    return ((ICallbackContext)context).OnCalculateExtension(operation, parameters);

   throw new NotSupportedException("不能支持操作:" + operation);
  }

  
大家要注意代码9中的第二个else if语句，对 ICallbackContext 的回调一定要加上，这样就可以支持其他形式的扩展了。至于如何扩展法，不妨自己动手试一下吧。

附带源代码到这里下载。