【飛秋】使用C# 4編寫動態代碼

（1）使用C# 4編寫動態代碼

         C# 4新增了一個dynamic關鍵字，可以用它來編寫“動態”的代碼。

         例如，以下代碼建立了一個ExpandoObject對象（注意必須定義為dynamic）：

 

    　　dynamic dynamicObj = new ExpandoObject();

 

         這一對象的奇特之處在於，我們可以隨時給它增加新成員：

       

    dynamicObj.Value = 100; //添加欄位

    dynamicObj.Increment = new Action(() => dynamicObj.Value++); //添加方法

 

         這些動態添加的成員與普通的類成員用法一樣：
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    for (int i = 0; i < 10; i++)

        dynamicObj.Increment();//調用方法

    Console.WriteLine("dynamicObj.Value={0}",dynamicObj.Value);//訪問欄位

 

         ExpandoObject對象實現了IDictionary<string, object>介面，可看成是一個字典對象，所有動態添加的成員都是這個字典對象中的元素，這意味我們不僅可以添加新成員，還可以隨時移除不再需要的成員：

 

    //移除Increment方法

    (dynamicObj as IDictionary<string, object>).Remove("Increment");

 

         方法移除之後，再嘗試訪問此方法將引發RuntimeBinderException異常。
（2）使用dynamic關鍵字簡化與COM組件互動的代碼

    要在.NET這個“託管世界”裡調用“非託管世界”中的COM組件，我們必須通過 “Interop 組件（Interop Assembly）”作為橋樑，“Interop 組件”定義了CLR類型與COM類型之間的對應關係。

         只要給.NET項目添加對“Interop 組件”的引用，就可以在.NET應用程式中建立這一程式集所包容的各種類型的執行個體（即COM封裝器對象），對這些對象的方法調用（或對其屬性的存取）將會被轉寄給COM組件。

         以調用Word為例，在C# 4.0之前您可能經常需要編寫這樣的代碼：

 

    Object wordapp = new Word.Application();   //建立Word對象

    Object fileName = “MyDoc.docx” ;//指定Word文檔

    Object argu = System.Reflection.Missing.Value;

    Word.Document doc = wordapp.Documents.Open(ref fileName, ref argu,

                ref argu, ref argu, ref argu, ref argu, ref argu, ref argu,

                ref argu, ref argu, ref argu, ref argu, ref argu, ref argu,

                ref argu, ref argu);

 

         上述對Open()方法的調用語句只能用“恐怖”一詞來形容，其原因是Word組件中的Open()方法定義了太多的參數。

         C#4使用dynamic關鍵字，配合從Visual Basic中學來的“具名引數與選擇性參數”這兩個新文法特性，可以寫出更簡潔的代碼：

 

    dynamic wordapp = new Word.Application();

    dynamic doc = wordapp.Documents.Open(FileName: “MyDoc.docx”);

 

         上述代碼中省去了用不著的參數，並且可以去掉參數前的ref關鍵字。

         當上述代碼運行時，DLR會使用反射技術將dynamic運算式“綁定（bind）”到COMInterop 組件中所包容的Word.Application代理對象。
（3）C# 4動態編程技術內幕

         C#4中所定義的dynamic變數可以引用以下類型的對象：

l 傳統的“靜態”的CLR對象。

l COM封裝器對象。前面已經介紹了這方面的內容。

l 實現了IDynamicMetaObjectProvider介面的“動態對象”，ExpandoObject就是這種類型對象的執行個體。

l 基於DLR實現的動態語言（比如IronRuby和IronPython）所建立的對象。

         從C#程式員角度來看，所有這四種對象都是一樣的，都可用一個dynamic變數引用之，而DLR在程式運行時動態地將方法調用和欄位存取請求“綁定”到真正的對象上。

         dynamic的功能是由DLR所支撐的，是C#編譯器與DLR分工合作的成果。

         請看以下範例程式碼：

 

    dynamic d = 100;

    d++;

 

         C#編譯器在處理上述代碼時，它並不去檢查變數d是否可以支援自增操作，而是為其建立了一個CallSite<T>對象（<>p__Site1）：

 

    private static class <Main>o__SiteContainer0 {

        public static CallSite<Func<CallSite, object, object>> <>p__Site1;

    }

 

         中文MSDN將CallSite<T>譯為“動態（調用）網站”，它是DLR中的核心組件之一。

         動態網站對象通過CallSite<T>.Create()方法建立， C#編譯器會為其指定一個派生自CallSiteBinder的對象（稱為“動態網站綁定對象”）作為其參數。

         動態網站綁定對象是與具體語言相關的，比如IronPython和C#都有各自的動態網站綁定對象。

         動態網站綁定對象的主要工作是將代碼中的動態運算式（本例中為d++）轉換為一棵“抽象文法樹（AST：Abstract Syntax Tree）”，這棵文法樹被稱為“DLR Tree”，是在.NET 3.5所引入的LINQ運算式樹狀架構的基礎上擴充而來的，因此，有時又稱其為“運算式樹狀架構（Expression Tree）”

         DLR在內部調用此運算式樹狀架構的Compile()方法產生IL指令，得到一個可以被CLR所執行的委託（在本例中其類型就是Func<CallSite, object, object>）。

         動態調用網站對象（本例中為<>p__Site1）有一個Target屬性，它負責引用這一產生好的委託。

         委託產生之後，動態運算式的執行就體現為委託的執行，其實參由C#編譯器直接“寫死”在IL代碼中。

         簡化的代碼示意如下（通過Reflector得到，為便於閱讀，修改了變數名）：

 

    object d = 100;

    object CS$0$0000 = d;

    if (<>p__Site1 == null)

        <>p__Site1 = CallSite<Func<CallSite, object, object>>.Create(……);

    d = <>p__Site1.Target(<>p__Site1, CS$0$0000);

     

         上述類型推斷、方法綁定及IL代碼產生的工作都是在程式運行時完成的。
（4）動態代碼很慢嗎？

         動態程式設計語言易學易用，代碼緊湊，開發靈活，但效能則一直是它的“軟肋”。為了提升效能，DLR設計了一個三級緩衝策略。

         動態網站綁定對象會為動態調用運算式轉換而成的文法樹加上相應的測試條件（稱為“test”），構成一個“規則（Rule）”，這個規則可以用於判斷某個文法樹是否可用於特定的動態調用運算式。

         舉個例子，請看以下這個動態運算式：

 

    d1 + d2

 

         如果在程式運行時d1和d2都是int類型的整數，則DLR產生的規則為：

     

    if( d1 is int && d2 is int) //測試條件

        return (int)d1+(int)d2; //文法樹

 

         DLR通過檢查規則中的“測試條件”，就可以知道某個動態運算式是否可以使用此規則所包容的文法樹。

         “規則”是DLR緩衝的主要對象。

         前面介紹過的動態網站對象Target屬性所引用的委託是第一級緩衝，它實現的處理邏輯是這樣的：

 

    //當前處理規則，屬於第1級緩衝

    if( d1 is int && d2 is int) //測試條件

        return (int)d1+(int)d2; //滿足測試條件，直接返回一個運算式樹狀架構

    //未命中，則在第2級、第3級緩衝中尋找，如果找到了，用找到的結果更新第1級緩衝

    return site.Update(site,d1,d2);

 

         如果3級緩衝中都沒有命中的規則，則此動態網站所關聯的調用網站綁定對象會嘗試建立一個新的規則。如果建立新規則失敗，則由當前程式設計語言（比如C#）所提供的預設調用網站綁定對象決定如何處理，通常的作法是拋出一個異常。

         目前的版本的DLR第2級緩衝了10條規則，第3級則緩衝了100條規則。

        由於DLR自身設計了一個“規則”緩衝系統，又充分利用了CLR所提供的JIT緩衝（因為所有動態調用代碼最終都會轉換為CLR可以執行的IL指令，而CLR可以緩衝這些代碼），使得動態代碼僅僅在第一次執行時效能較差，後續的連續調用其效能可以逼近靜態代碼。
3 C# 4與動態語言的整合

         由於幾乎所有的程式設計語言都可以使用抽象文法樹來表達，因此，在理論上DLR支援無限多種程式設計語言間的互操作，在目前的版本中，可以實現C#/Visual Basic與IronPython和IronRuby的互操作，相信很快會出現其他動態程式設計語言的DLR實現。

         一個有趣的地方是當前基於DLR實現的動態程式設計語言都以“Iron”開頭，比如IronRuby和IronPython。IronPython的設計者、DLR的架構設計師Jim Hugunin曾經在微軟PDC 2008大會上解釋說主要是為了避免起一個“Python.NET”或“Python for .NET”之類“微軟味十足”的名字，才有了“IronPython”。他強調：“Iron”系列動態語言將嚴格遵循動態語言自身的標準和規範，尊重這些動態語言已有的曆史和積累，不會引入一些僅限於.NET平台的新語言特性，並且這些語言的.NET實現保持開源。與此同時，Jim Hugunin指出 “Iron”系列語言能很好地與.NET現有類庫、程式設計語言和工具整合，並且能“嵌入”到.NET宿主程式中。
（1）動態對象通訊協議

         由於各種動態程式設計語言之間的特性相差極大，實現各語言間的互操作是個難題。為此DLR採取了一個聰明的策略，它不去嘗試設計一個“通用的類型系統”（CLR就是這麼乾的），而是設計了一個“通用的對象通訊協議”，規定所有需要互操作的動態對象必須實現IDynamicMetaObjectProvider介面，此介面定義了一個GetMetaObject()方法，接收一個文法樹對象作為參數，向外界返回一個“動態中繼資料（DynamicMetaObject）”對象：

 

        DynamicMetaObject GetMetaObject(Expression parameter);

 

   DynamicMetaObject對象向外界提供了兩個重要屬性：Restrictions引用一組測試條件，Expression屬性則引用一個文法樹。這兩個屬性群組合起來就是可供動態網站對象緩衝的“規則（Rule）”。

         DLR中的“動態網站綁定對象（CallSiteBinder）”擷取了DynamicMetaObject對象之後，它調用此對象所提供的各個方法建立“規則”，讓“動態網站對象（CallSite<T>）”的Target屬性引用它，完成動態綁定的工作。
（2）動態語言Integration Environment

         為了方便地實現靜態程式設計語言與各種動態程式設計語言間的相互整合，DLR提供了一整套稱為“通用寄宿（Common Hosting）”的組件，其中包容ScriptRuntime、ScriptScope等類型。

         下面我們以IronPython為例，介紹如何在C# 4開發的程式中整合動態程式設計語言代碼。

         首先需要建立一個ScriptRuntime對象，它是一個最頂層的對象，用於在一個.NET應用程式定義域中“嵌入”一個特定動態語言的運行環境：

 

    ScriptRuntime pythonRuntime = Python.CreateRuntime();

 

         接著需要建立一個ScriptEngine對象，它是動態語言代碼的執行引擎：

 

    ScriptEngine engine = pythonRuntime.GetEngine("py");

 

         ScriptScope對象類似於C#中的命名空間，其中可以通過定義一些變數向動態代碼傳入資料，比如下述代碼將一個C# 建立的ExpandoObject對象傳給Python代碼：

 

    ScriptScope scope = pythonRuntime.CreateScope();

    //C#建立動態對象

     dynamic expando = new ExpandoObject();

    expando.Name = "JinXuLiang"; //動態添加一個欄位

     //讓IronPython接收C#建立的Expando對象

    scope.SetVariable("ExpandoObject", expando);

    string pythonCode = "print ExpandoObject.Name";

    //IronPython引擎執行Python語句

    engine.CreateScriptSourceFromString(pythonCode).Execute(scope);          

 

         上述範例程式碼是直接執行Python代碼。在實際開發中，更常見的是直接執行Python檔案中的代碼，假設有一個Calculator.py檔案，其中定義了一個Add函數：

 

    def Add(a,b):

        return a+b

 

         則以下C#代碼可以直接執行之：

 

    ScriptRuntime pythonRuntime = Python.CreateRuntime();

    dynamic pythonFile = pythonRuntime.UseFile("Calculator.py");

    Console.WriteLine(pythonFile.Add(100, 200));

 

         上述樣本說明在DLR的支援之下，可以讓靜態程式設計語言使用動態語言所開發的庫，反過來，基於DLR實現的動態程式設計語言也能使用為靜態語言所設計的庫，比如標準的.NET基底類別庫。

         這意味著兩點：

         （1）我們現在可以將“靜態”和“動態”程式設計語言組合起來，開發出一些具有高度互動性的應用程式，使用靜態程式設計語言搭建系統架構，使用動態程式設計語言實現互動性，這是一個很值得注意的應用領域。

         （2）將來會出現一些“靜態”“動態”程式設計語言同時適用的庫，向實現“無所不在的複用”目標又前進了一步。

         Visual Studio 2010為新的.NET程式設計語言F#提供了專門的項目模板，但沒有為IronPython和IronRuby之類動態語言的開發提供支援，相信隨著動態語言在.NET平台之上的應用日趨廣泛，後繼版本的Visual Studio會直接支援動態語言的開發。

 

 

 

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