C# 4 中的 Dynamic 关键字

2012-07-10 16:12 清潭荷韵阅读(1197) 评论(0) 编辑收藏举报

作者是 Silverlight 团队的一名项目经理。在此之前，她曾于 Visual Studio 2010 发布期间在 Visual Studio 语言团队担任程序员。她还定期在 C# 常见问题解答博客 (blogs.msdn.com/b/csharpfaq/) 上发表博文。

dynamic 关键字和动态语言运行时 (DLR) 是 C# 4 和 Microsoft .NET Framework 4 中的重大新增功能。这些功能在宣布时就引起了人们的极大兴趣，并伴随着许多疑问。同时人们也给出了很多答案，但这些答案现在已散布于各种文档以及各种技术博客和文章之中。这样，人们在各种论坛和会议上总是一遍又一遍地提出相同的问题。

本文全面概述了 C# 4 中新增的动态功能，并且深入探讨了这些功能如何同其他语言和框架功能（例如反射或隐式类型化变量）一起使用。鉴于已有大量信息可用，我有时会重新使用一些经典示例，并提供指向原始源的链接。我还将提供指向相关内容的大量链接，供您进一步阅读。

什么是“动态”？

编程语言有时可划分为静态类型化语言和动态类型化语言。 C# 和 Java 经常被认为是静态类型化语言的例子，而 Python、Ruby 和 JavaScript 是动态类型化语言的例子。

一般而言，动态语言不执行编译时类型检查，仅在运行时识别对象的类型。这种方法有利有弊：代码编写起来往往更快、更容易，但同时，由于您不会获得编译器错误，只能通过单元测试和其他方法来确保应用程序正常运行。

C# 最初是作为纯静态语言创建的，但 C# 4 添加了一些动态元素，用以改进与动态语言和框架之间的互操作性。 C# 团队考虑了多种设计选项，但最终确定添加一个新关键字来支持这些功能：dynamic。

dynamic 关键字可充当 C# 类型系统中的静态类型声明。这样，C# 就获得了动态功能，同时仍然作为静态类型化语言而存在。若要了解为何以及如何做出了这样的决定，请参考 PDC09 (microsoftpdc.com/2009/FT31) 上由 Mads Torgersen 撰写的演示文稿“C# 4 中的动态绑定”。尤其是，动态对象被认定是 C# 语言中的“一等公民”，因此没有用于打开或关闭动态功能的选项，并且没有向 C# 添加过类似于 Visual Basic 中的 Option Strict On/Off 之类的功能。

当您使用 dynamic 关键字时，您就告诉编译器关闭编译时检查。网上以及 MSDN 文档中 (msdn.microsoft.com/library/dd264736) 有大量关于如何使用该关键字的示例。下面是一个常见示例：

          dynamic d = "test";
Console.WriteLine(d.GetType());
// Prints "System.String".
          d = 100;
Console.WriteLine(d.GetType());
// Prints "System.Int32".

如您所见，可以将不同类型的对象分配给已声明为 dynamic 的变量。这段代码会通过编译，并在运行时确定对象的类型。不过，下面的代码也会通过编译，但在运行时会引发异常：

          dynamic d = "test";
 
// The following line throws an exception at run time.
          d++;

原因是相同的：编译器不知道该对象的运行时类型，因此无法告诉您递增操作在此情况下不受支持。

缺少编译时类型检查也会导致 IntelliSense 功能无效。由于 C# 编译器不知道对象的类型，因此它无法枚举该对象的属性和方法。正如在用于 Visual Studio 的 IronPython 工具中那样，通过附加的类型推断可能会解决此问题，但目前 C# 不提供这种类型推断。

但是，在许多可能获益于动态功能的方案中，由于代码使用了字符串文本而导致 IntelliSense 还是不可用。本文在后面将对这一问题进行更详细的讨论。

Dynamic、Object 还是 Var？

那么，dynamic、object 和 var 之间的实际区别是什么？何时应使用它们？下面是每个关键字的简短定义和一些示例。

关键字 object 表示 System.Object 类型，它是 C# 类层次结构中的根类型。此关键字经常在编译时无法确定对象类型时使用，而这种情况经常在各种互操作性情形中发生。

您需要使用显式转换将已声明为 object 的变量转换为特定类型：

          object objExample = 10;
Console.WriteLine(objExample.GetType());

显然，这将输出 System.Int32。但是，因为静态类型为 System.Object，所以您在这里需要一个显式转换：

          objExample = (int)objExample + 10;

您可以赋予不同类型的值，因为它们都是从 System.Object 继承的：



          objExample = "test"; 
 
C# 4 中引入的 dynamic 关键字可使某些传统上依赖于 object 关键字的情形更容易编写和维护。 实际上，动态类型在后台使用 System.Object 类型。但与 object 不同的是，动态类型不需要在编译时执行显式转换操作，因为它仅在运行时识别类型：
          dynamic dynamicExample = 10;
Console.WriteLine(dynamicExample.GetType());
        
此段代码会输出 System.Int32。 
在下面这一行中不需要转换，因为仅在运行时识别类型：

          dynamicExample = dynamicExample + 10;
        
可以将不同类型的值赋给 dynamicExample：

          dynamicExample = "test";
        
在 C# 常见问题解答博客 (bit.ly/c95hpl) 上，提供了关于关键字 object 和 dynamic 之间差别的详细博客文章。 
有时会引起混淆的是，所有这些关键字可以一起使用，即它们不是互相排斥的。 例如，我们来看一看下面的代码：
          dynamic dynamicObject = new Object();
var anotherObject = dynamicObject;
        
anotherObject 的类型是什么？ 我的回答是：dynamic。 请记住，在 C# 类型系统中，dynamic 实际上是一个静态类型，因此，编译器将为 anotherObject 推断此类型。 务必要知道，var 关键字不过是一个指令，它让编译器根据变量的初始化表达式推断类型；var 不是类型。 
动态语言运行时
说起 C# 语言环境中的“dynamic”这一术语，它通常指下面两个概念之一：C# 4 中的 dynamic 关键字或 DLR。 虽然这两个概念是相关的，但也务必要了解它们之间的差别。 
DLR 有两个主要目的。 首先，它实现动态语言和 .NET Framework 之间的互操作。 其次，它将动态行为引入 C# 和 Visual Basic 之中。 
DLR 的创建吸取了构建 IronPython (ironpython.net) 时的经验教训（IronPython 是在 .NET Framework 上实现的第一种动态语言）。 在构建 IronPython 时，工作团队发现他们可以针对多种语言重复使用他们的实现，因此，他们为 .NET 动态语言创建了一个公共基础平台。 与 IronPython 一样，DLR 已成为一个开源项目，其源代码目前在 dlr.codeplex.com 上提供。 
后来，.NET Framework 4 中也纳入了 DLR，以支持 C# 和 Visual Basic 中的动态功能。 如果您只需要 C# 4 中的 dynamic 关键字，那么使用 .NET Framework 就可以了。在大多数情况下，仅凭 .NET Framework 即可处理与 DLR 之间的所有交互。 但是，如果您希望实现新的动态语言或将其迁移到 .NET，则可以获益于开源项目中额外的帮助程序类，该开源项目为语言实现人员提供了更多功能和服务。 
在静态类型化语言中使用 Dynamic
我们并不期待每个人都尽可能使用动态而不是静态类型声明。 编译时检查是一个强大的工具，对它的使用多多益善。 而且，再次指出，C# 中的动态对象不支持 IntelliSense，这对总体工作效率可能会有些影响。 
同时，在出现 dynamic 关键字和 DLR 之前，有一些方案在 C# 中曾经难以实现。 在以前的大多数情况下，开发人员使用 System.Object 类型和显式转换，同样不能很好地利用编译时检查和 IntelliSense。 下面是一些例子。 
人们最熟知的一个情况是，有时必须使用 object 关键字来实现与其他语言或框架的互操作性。 通常，您必须依靠反射来获取对象的类型以及访问其属性和方法。 语法有时难以阅读，因此代码难以维护。 此时使用动态功能可能比使用反射更加容易和方便。 
Anders Hejlsberg 在 PDC08 (channel9.msdn.com/pdc2008/TL16) 上提供了一个极好的例子，如下所示：
          object calc = GetCalculator();
Type calcType = calc.GetType();
object res = calcType.InvokeMember(
  "Add", BindingFlags.InvokeMethod, 
  null, new object[] { 10, 20 });
int sum = Convert.ToInt32(res);
        
该函数返回一个计算器，但系统在编译时不知道此计算器对象的精确类型。 代码所依赖的唯一事情是此对象应具有 Add 方法。 请注意，此方法无法使用 IntelliSense，因为您以字符串文本的形式提供了方法名称。 
使用 dynamic 关键字，代码就很简单了：
          dynamic calc = GetCalculator();
int sum = calc.Add(10, 20);
        
假设情况没有变化：存在某种我们希望其具有 Add 方法的未知类型的对象。 与上一个示例一样，此方法也不能使用 IntelliSense。 但语法阅读和使用起来要容易很多，看上去就像在调用一个普通的 .NET 方法。 
动态方法包
可以利用动态功能的另外一个例子是创建动态方法包，动态方法包就是可在运行时添加和删除属性及方法的对象。 
.NET Framework 4 有一个新的命名空间：System.Dynamic。 此命名空间实际上是 DLR 的一部分。 System.Dynamic.ExpandoObject 和 System.Expando.DynamicObject 类与新的 dynamic 关键字相结合，有助于以清晰和易于阅读的方式来创建动态结构和层次结构。 
例如，下面说明了如何使用 ExpandoObject 类来添加属性和方法：
          dynamic expando = new ExpandoObject();
expando.SampleProperty = 
  "This property was added at run time";
expando.SampleMethod = (Action)(
  () => Console.WriteLine(expando.SampleProperty));
expando.SampleMethod();
        
要了解更加深入的方案，您一定要看看关于 ExpandoObject 和 DynamicObject 类的 MSDN 文档。 同时，还有一些值得一看的文章，比如由 Bill Wagner 撰写的文章“动态方法包”(msdn.microsoft.com/library/ee658247) 以及 C# 常见问题解答博客文章“C# 4.0 中的 Dynamic：ExpandoObject 简介”(bit.ly/amRYRw)。 
  
类包装
您可以为自己的库提供更好的语法，或为现有库创建包装。 与前两个方案相比，这是一个更高级的方案，并且需要对 DLR 具体内容有更深入的了解。 
对于简单情况，可以使用 DynamicObject 类。 在这个类中，可以将方法和属性的静态声明与动态调度进行混合。 这样，您就可以在一个类属性中存储一个要为其提供更佳语法的对象，但通过动态调度来处理针对该对象的所有操作。 
例如，请看一下图 1 中的 DynamicString 类，该类包装了一个字符串，并在通过反射实际调用所有方法之前显示这些方法的名称。 
图 1 DynamicString
          public class DynamicString : DynamicObject {
  string str;
 
  public DynamicString(string str) {
    this.str = str;
  }
 
  public override bool TryInvokeMember(
    InvokeMemberBinder binder, object[] args, 
    out object result) {
 
    Console.WriteLine("Calling method: {0}", binder.Name);
 
    try {
      result = typeof(string).InvokeMember(
        binder.Name,
        BindingFlags.InvokeMethod |
        BindingFlags.Public |
        BindingFlags.Instance,
        null, str, args);
      return true;
    }
    catch {
      result = null;
      return false;
    }
  }
}
        
若要实例化该类，应使用 dynamic 关键字：
          dynamic dStr = new DynamicString("Test");
Console.WriteLine(dStr.ToUpper()); 
Console.ReadLine();
        
当然，这个特定示例出于演示目的而设计，不具有实际效率。 但是，如果您拥有已严重依赖于反射的 API，就可以如此处所示将所有通过反射进行的调用打包，以便针对 API 的最终用户隐藏这些调用。 
有关更多示例，请参见 MSDN 文档 (msdn.microsoft.com/library/system.dynamic.dynamicobject) 以及 C# 常见问题解答博客文章“C# 4.0 中的 Dynamic：通过 DynamicObject 创建包装”(bit.ly/dgS3od)。 
如前所述，DynamicObject 类是由 DLR 提供的。 生成动态对象所需要的仅仅是 DynamicObject 或 ExpandoObject。 但是，某些动态对象具有用于访问成员和调用方法的复杂绑定逻辑。 这种对象需要实现 IDynamicMetaObjectProvider 接口并提供其自己的动态调度。 这是一种高级方案，感兴趣的读者可以读一下由 Bill Wagner 撰写的文章“实现动态接口”(msdn.microsoft.com/vcsharp/ff800651)，以及由 Alex Turner 及 Bill Chiles 撰写的文章“库创作者 DLR 入门”(dlr.codeplex.com)。 
 
可编写脚本的应用程序
脚本是向应用程序提供可扩展性的一种强大方法。 Microsoft Office 可作为这方面的一个好例子：由于 Visual Basic for Applications (VBA) 的存在，可以使用大量的宏、加载项和插件。 现在，DLR 提供了一组公用的语言宿主 API，因此可让您创建可编写脚本的应用程序。 
例如，您可以创建一个应用程序，使用户能够自己在其中添加功能而不需要主产品提供新功能，例如向游戏中添加新的字符和映射，或向业务应用程序添加新的图表。 
您必须使用来自 dlr.codeplex.com 的开源版 DLR 而不是由 .NET Framework 4 使用的 DLR，因为 DLR 脚本编写和宿主 API 现在仅在开源版中提供。 另外，假定的情况是您不是使用 C# 编写脚本，而是使用一种 .NET 动态语言（如 IronPython 或 IronRuby）来编写。 然而，实际上任何语言都可以支持这些 API，包括不是在 DLR 之上实现的语言。 
有关使用此功能的详细信息，请观看 PDC09 (microsoftpdc.com/2009/FT30) 上由 Dino Viehland 所做的演示“使用动态语言生成可编写脚本的应用程序”。 
识别动态对象
如何区分动态对象与其他对象？ 一个简便方法是使用内置的 IDE 功能。 您可以将鼠标光标悬停在对象上以查看其声明类型，或检查 IntelliSense 是否可用（请参见图 2）。 
 
图 2 Visual Studio 中的动态对象 
然而在运行时，情况会变得更加复杂。 您无法检查变量是否是通过 dynamic 关键字声明的 — 动态对象的运行时类型是它所存储的值的类型，您无法获取其静态类型声明。 这种情况与将变量声明为 object 时的情况相同：在运行时，您只能获取变量所存储的值的类型；无法判断此变量最初是否声明为 object。 
运行时所能确定的是对象是否来自 DLR。 知道这种情况可能十分重要，因为像 ExpandoObject 和 DynamicObject 类型的对象可在运行时改变其行为，例如，添加和删除属性及方法。 
此外，也无法使用标准反射方法来获取有关这些对象的信息。 如果向 ExpandoObject 类的实例添加属性，则无法通过反射获取该属性：
          dynamic expando = new ExpandoObject();
expando.SampleProperty = "This property was added at run time";
PropertyInfo dynamicProperty = 
  expando.GetType().GetProperty("SampleProperty");
// dynamicProperty is null.
        
有利的方面是，在 .NET Framework 4 中，所有可动态添加和删除成员的对象都必须实现一个特定接口：System.Dynamic.IDynamicMetaObjectProvider。 DynamicObject 和 ExpandoObject 类也实现了这个接口。 不过，这并不表示任何使用 dynamic 关键字声明的对象都实现此接口：
          dynamic expando = new ExpandoObject();
Console.WriteLine(expando is IDynamicMetaObjectProvider);
// True
 
dynamic test = "test";
Console.WriteLine(test is IDynamicMetaObjectProvider);
// False
        
因此，如果将动态功能与反射一起使用，则请记住，反射不适用于动态添加的属性和方法，并且最好检查正在反射的对象是否实现了 IDynamicMetaObjectProvider 接口。 
动态功能与 COM 互操作
C# 团队在 C# 4 版本中专门考虑的 COM 互操作方案是针对 Microsoft Office 应用程序（如 Word 和 Excel）进行编程。 他们的目的是让这一任务在 C# 中变得像在 Visual Basic 中那样容易和自然。 这也是 Visual Basic 和 C# 共同发展策略的一部分，这个策略旨在实现两种语言的功能对等，并相互借鉴最佳、最具效率的解决方案。 
若需了解详细信息，请参阅 Scott Wiltamuth 的 Visual Studio 博客文章“C# 和 VB 共同发展”(bit.ly/bFUpxG)。 
图 3 显示了一段 C# 4 代码，该代码向 Excel 工作表的第一个单元格中添加一个值，然后向第一列应用 AutoFit 方法。 每行下面的注释显示了 C# 3.0 及更早版本的中的等效代码。 
图 3 通过 C# 对 Excel 进行脚本编程
          // Add this line to the beginning of the file:
// using Excel = Microsoft.Office.Interop.Excel;
 
var excelApp = new Excel.Application();
 
excelApp.Workbooks.Add();
// excelApp.Workbooks.Add(Type.Missing);
 
excelApp.Visible = true;
 
Excel.Range targetRange = excelApp.Range["A1"];
// Excel.Range targetRange = excelApp.get_Range("A1", Type.Missing);
 
targetRange.Value = "Name";
// targetRange.set_Value(Type.Missing, "Name");
 
targetRange.Columns[1].AutoFit();
// ((Excel.Range)targetRange.Columns[1, Type.Missing]).AutoFit();
        
此示例有趣的地方是，您在代码中的任何位置都看不到 dynamic 关键字。实际上，该关键字仅在下面一行中用到：
          targetRange.Columns[1].AutoFit();
// ((Excel.Range)targetRange.Columns[1, Type.Missing]).AutoFit();
        
在 C# 3.0 版中，targetRange.Columns[1, Type.Missing] 返回 object，这便是需要向 Excel.Range 转换的原因。 但在 C# 4 和 Visual Studio 2010 中，这样的调用将以静默方式转换为动态调用。 因此，C# 4 中 targetRange.Columns[1] 的类型实际上是 dynamic。 
另一个突出特点是，C# 4 中的 COM 互操作改进不仅限于 dynamic。 由于其他一些新增功能（例如索引属性以及命名参数和可选参数），其他所有行中的代码也有所改进。 由 Chris Burrows 撰写的 MSDN 杂志 文章“.NET Framework 4 中的新增 C# 功能”(msdn.microsoft.com/magazine/ff796223) 中对这些新增功能做了很好的概述。

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