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C#循环与循环控制的表达式树实现

时间：2022-06-01 11:24:24 | 栏目：.NET代码 | 点击：次

C# 提供了以下几种循环类型。

循环类型 描述
while 循环 当给定条件为真时，重复语句或语句组。它会在执行循环主体之前测试条件。
for/foreach 循环 多次执行一个语句序列，简化管理循环变量的代码。
do...while 循环 除了它是在循环主体结尾测试条件外，其他与 while 语句类似。
嵌套循环 您可以在 while、for 或 do..while 循环内使用一个或多个循环。

当然，还有以下用于控制循环的语句

控制语句 描述
break 语句 终止 loop 或 switch 语句，程序流将继续执行紧接着 loop 或 switch 的下一条语句。
continue 语句 引起循环跳过主体的剩余部分，立即重新开始测试条件。

LabelTarget

LabelTarget 是用于创建循环标记的。

无论是 for 还是 while ，平时编写循环时，都需要有跳出循环的判断，有时需要某个参数自增自减并且作为判断依据。

C# 表达式树里面是没有专门表示 for /while 的，里面只有一个 Loop。看一下Loop 生成的表达式树

.Lambda #Lambda1<System.Func`1[System.Int32]>() {
    .Block(System.Int32 $x) {
        $x = 0;
        .Loop  {
            .If ($x < 10) {
                $x++
            } .Else {
                .Break #Label1 { $x }
            }
        }
        .LabelTarget #Label1:
    }
}

要实现循环控制，有 break，contauine 两种 Expression：

        public static GotoExpression Break(LabelTarget target, Type type);

        public static GotoExpression Break(LabelTarget target, Expression value);

        public static GotoExpression Break(LabelTarget target);

        public static GotoExpression Break(LabelTarget target, Expression value, Type type);
        public static GotoExpression Continue(LabelTarget target, Type type);

        public static GotoExpression Continue(LabelTarget target);

所以，要实现循环控制，必须要使用 LabelTarget，不然就无限循环了。

要理解 LabelTarget ，最好的方法是动手做。

for / while 循环

Expression.Loop 用于创建循环，包括 for 和 while，定义如下

        public static LoopExpression Loop(Expression body, LabelTarget @break, LabelTarget @continue);
        
      System.Linq.Expressions.LoopExpression.
        public static LoopExpression Loop(Expression body);
      
        public static LoopExpression Loop(Expression body, LabelTarget @break);

表达式树里面的循环，只有 Loop，无 for / while 的区别。

那么，我们来一步步理解 Loop 循环和 LabelTarget；

无限循环

                while (true)
                {
                    Console.WriteLine("无限循环");
                }

那么，对应的 Loop 重载是这种

public static LoopExpression Loop(Expression body)

使用表达式树编写

            BlockExpression _block = Expression.Block(
                new ParameterExpression[] { },
                Expression.Call(null, typeof(Console).GetMethod("WriteLine", new Type[] { typeof(string) }),Expression.Constant("无限循环") )
            );

            LoopExpression _loop = Expression.Loop(_block);

            Expression<Action> lambda = Expression.Lambda<Action>(_loop);
            lambda.Compile()();

最简单的循环

如果我想用表达式树做到如下最简单的循环，怎么写？

            while (true)
            {
                Console.WriteLine("我被执行一次就结束循环了");
                break;
            }

表达式树编写

            LabelTarget _break = Expression.Label();

            BlockExpression _block = Expression.Block(
               new ParameterExpression[] { },
               Expression.Call(null, typeof(Console).GetMethod("WriteLine", new Type[] { typeof(string) }), Expression.Constant("我被执行一次就结束循环了")), Expression.Break(_break));
            LoopExpression _loop = Expression.Loop(_block, _break);

            Expression<Action> lambda = Expression.Lambda<Action>(_loop);
            lambda.Compile()();

            Console.ReadKey();

生成的表达式树

.Lambda #Lambda1<System.Action>() {
    .Loop  {
        .Block() {
            .Call System.Console.WriteLine("我被执行一次就结束循环了");
            .Break #Label1 { }
        }
    }
    .LabelTarget #Label1:
}

首先要明确，Expression.Label() 里面可以为空，它是一种标记，不参与传递参数，不参与运算。有参无参，前后保持一致即可。

但是上面的循环只有一次，你可以将上面的标签改成这样试试 LabelTarget _break = Expression.Label(typeof(int));，原因后面找。

还有， Expression.Label() 变量需要一致，否则无法跳出。

试试一下代码

            BlockExpression _block = Expression.Block(
               new ParameterExpression[] { },
               Expression.Call(null, typeof(Console).GetMethod("WriteLine", new Type[] { typeof(string) }), Expression.Constant("我被执行一次就结束循环了")), Expression.Break(Expression.Label()));
            LoopExpression _loop = Expression.Loop(_block, Expression.Label());

            Expression<Action> lambda = Expression.Lambda<Action>(_loop);
            lambda.Compile()();

            Console.ReadKey();

里面用到了 Expression.Block()，Block() 是块，即{}。

如果 Block() 是在最外层，那么相当于是函数；如果是内嵌，相当于{}；

但不是真的这样。。。表达式树里面不是完全按照 C# 的语法来还原操作的。

对于 Block() 的使用，多加实践即可。

多次循环

写一个循环十次的循环语句

            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                if (i < 10)
                {
                    Console.WriteLine(i);
                }
                else
                    break;
            }

或者使用 while 表示

            int i = 0;
            while (true)
            {
                if (i < 10)
                {
                    Console.WriteLine(i);
                }
                else
                    break;
                i++;
            }

使用表达式树编写

            LabelTarget _break = Expression.Label(typeof(int));
            ParameterExpression a = Expression.Variable(typeof(int), "a");

            BlockExpression _block = Expression.Block(new ParameterExpression[] { },
                Expression.IfThenElse
                (
                    Expression.LessThan(a, Expression.Constant(10)),
                    Expression.Call(null, typeof(Console).GetMethod("WriteLine", new Type[] { typeof(int) }), a),
                    Expression.Break(_break, a)
                ),
                Expression.PostIncrementAssign(a)   // a++
                );


            LoopExpression _loop = Expression.Loop(_block, _break);

            Expression<Action<int>> lambda = Expression.Lambda<Action<int>>(_loop, a);
            lambda.Compile()(0);
            Console.ReadKey();

生成的表达式树如下

.Lambda #Lambda1<System.Action`1[System.Int32]>(System.Int32 $a) {
    .Loop  {
        .Block() {
            .If ($a < 10) {
                .Call System.Console.WriteLine($a)
            } .Else {
                .Break #Label1 { $a }
            };
            $a++
        }
    }
    .LabelTarget #Label1:
}

试试将 Expression.Break(_break, a) 改成 Expression.Break(_break)。看看报什么错。。。

解决方法是，上面的标记也改成 LabelTarget _break = Expression.Label();。

就跟你写代码写注释一样，里面的东西是为了让别人看代码是容易理解。

有些同学纠结于 Expression.Label(有参或无参);，Expression.Break(_break, a) 与 Expression.Break(_break)，只要看看最终生成的表达式树就清楚了。

break 和 continue 一起

C# 循环代码如下

            int i = 0;
            while (true)
            {
                if (i < 10)
                {
                    if (i % 2 == 0)
                    {
                        Console.Write("i是偶数:");
                        Console.WriteLine(i);
                        i++;
                        continue;
                    }
                    Console.WriteLine("其他任务 --");
                    Console.WriteLine("其他任务 --");
                }
                else break;
                i++;
            }

使用 C# 表达式树编写(笔者将步骤详细拆分了，所以代码比较长)

            ParameterExpression a = Expression.Variable(typeof(int), "a");

            LabelTarget _break = Expression.Label();
            LabelTarget _continue = Expression.Label();

            //        if (i % 2 == 0)
            //        {
            //            Console.Write("i是偶数:");
            //            Console.WriteLine(i);
            //            i++;
            //            continue;
            //        }
            ConditionalExpression _if = Expression.IfThen(
                Expression.Equal(Expression.Modulo(a, Expression.Constant(2)), Expression.Constant(0)),
                Expression.Block(
                    new ParameterExpression[] { },
                    Expression.Call(null, typeof(Console).GetMethod("Write", new Type[] { typeof(string) }), Expression.Constant("i是偶数:")),
                    Expression.Call(null, typeof(Console).GetMethod("WriteLine", new Type[] { typeof(int) }), a),
                    Expression.PostIncrementAssign(a),
                    Expression.Continue(_continue)
                    )
                );

            //        if (i % 2 == 0)
            //        {
            //            Console.Write("i是偶数:");
            //            Console.WriteLine(i);
            //            i++;
            //            continue;
            //        }
            //        Console.WriteLine("其他任务 --");
            //        Console.WriteLine("其他任务 --");
            BlockExpression block1 = Expression.Block(
                new ParameterExpression[] { },
                _if,
                Expression.Call(null, typeof(Console).GetMethod("WriteLine", new Type[] { typeof(string) }), Expression.Constant("其他任务 --")),
                Expression.Call(null, typeof(Console).GetMethod("WriteLine", new Type[] { typeof(string) }), Expression.Constant("其他任务 --"))
                );

            //    if (i < 10)
            //    {
            //        if (i % 2 == 0)
            //        {
            //            Console.Write("i是偶数:");
            //            Console.WriteLine(i);
            //            i++;
            //            continue;
            //        }
            //        Console.WriteLine("其他任务 --");
            //        Console.WriteLine("其他任务 --");
            //    }
            //    else break;
            ConditionalExpression if_else = Expression.IfThenElse(
               Expression.LessThan(a, Expression.Constant(10)),
                block1,
                Expression.Break(_break)
                );


            //    if (i < 10)
            //    {
            //        if (i % 2 == 0)
            //        {
            //            Console.Write("i是偶数:");
            //            Console.WriteLine(i);
            //            i++;
            //            continue;
            //        }
            //        Console.WriteLine("其他任务 --");
            //        Console.WriteLine("其他任务 --");
            //    }
            //    else break;
            //    i++ ;

            BlockExpression block2 = Expression.Block(
                new ParameterExpression[] { },
                if_else,
                Expression.PostIncrementAssign(a)
                );
            // while(true)
            LoopExpression loop = Expression.Loop(block2, _break, _continue);

            Expression<Action<int>> lambda = Expression.Lambda<Action<int>>(loop, a);
            lambda.Compile()(0);
            Console.ReadKey();

生成的表达式树如下

.Lambda #Lambda1<System.Action`1[System.Int32]>(System.Int32 $a) {
    .Loop .LabelTarget #Label1: {
        .Block() {
            .If ($a < 10) {
                .Block() {
                    .If (
                        $a % 2 == 0
                    ) {
                        .Block() {
                            .Call System.Console.Write("i是偶数:");
                            .Call System.Console.WriteLine($a);
                            $a++;
                            .Continue #Label1 { }
                        }
                    } .Else {
                        .Default(System.Void)
                    };
                    .Call System.Console.WriteLine("其他任务 --");
                    .Call System.Console.WriteLine("其他任务 --")
                }
            } .Else {
                .Break #Label2 { }
            };
            $a++
        }
    }
    .LabelTarget #Label2:
}

为了便于理解，上面的代码拆分了很多步。

来个简化版本

            ParameterExpression a = Expression.Variable(typeof(int), "a");

            LabelTarget _break = Expression.Label();
            LabelTarget _continue = Expression.Label();

            LoopExpression loop = Expression.Loop(
                Expression.Block(
                    new ParameterExpression[] { },
                    Expression.IfThenElse(
                        Expression.LessThan(a, Expression.Constant(10)),
                        Expression.Block(
                            new ParameterExpression[] { },
                            Expression.IfThen(
                                Expression.Equal(Expression.Modulo(a, Expression.Constant(2)), Expression.Constant(0)),
                                Expression.Block(
                                    new ParameterExpression[] { },
                                    Expression.Call(null, typeof(Console).GetMethod("Write", new Type[] { typeof(string) }), Expression.Constant("i是偶数:")),
                                    Expression.Call(null, typeof(Console).GetMethod("WriteLine", new Type[] { typeof(int) }), a),
                                    Expression.PostIncrementAssign(a),
                                    Expression.Continue(_continue)
                                    )
                                ),
                            Expression.Call(null, typeof(Console).GetMethod("WriteLine", new Type[] { typeof(string) }), Expression.Constant("其他任务 --")),
                            Expression.Call(null, typeof(Console).GetMethod("WriteLine", new Type[] { typeof(string) }), Expression.Constant("其他任务 --"))
                            ),
                        Expression.Break(_break)
                        ),
                    Expression.PostIncrementAssign(a)
                    ),
                _break,
                _continue
                );

            Expression<Action<int>> lambda = Expression.Lambda<Action<int>>(loop, a);
            lambda.Compile()(0);
            Console.ReadKey();

需要注意的是，Expression.Break Expression.Continue 有所区别。

当标签实例化都是 Expression.Label() 时，

Expression.Break(label);
Expression.Continu(label);

区别在于 continu 只能用 Expression.Label()。

Break 可以这样

LabelTarget label = Expression.Label ( typeof ( int ) );
ParameterExpression a = Expression.Variable(typeof(int), "a");

Expression.Break ( label , a )

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