微软锋利的刀 C#4.0新特性之动态编程

近几年来，在TIOBE公司每个月发布的编程语言排行榜[1]中，C#总是能挤进前10名，而在近10年的编程语言排行榜中，C#总体上呈现上升的趋势。

C#能取得这样的成绩，有很多因素在起作用，其中，它在语言特性上的锐意进取让人印象深刻(图 1)。

▲2010年发布的C# 4，最大的创新点是拥有了动态编程语言的特性。

1 动态编程语言的中兴动态编程语言并非什么新鲜事物，早在面向对象编程语言成为主流之前，人们就已经使用动态编程语言来开发了。

即使在Java、C#、C++等面向对象编程语言繁荣兴旺、大行于世的年代，动态编程语言也在“悄悄”地攻城掠地，占据了相当的开发领域，比如 JavaScript业已成为Web客户端事实上的主流语言。

最近这几年，动态编程语言变得日益流行，比如Python、Ruby都非常活跃，使用者众多。

这里有一个问题，为什么我们需要在开发中应用动态编程语言?与C#和Java 这类已经非常成熟且功能强大的静态类型编程语言相比，动态编程语言有何优势?简单地说，使用动态编程语言开发拥有以下的特性：(1)支持REPL(Read-evaluate-print Loop：“读入à执行à输出”循环迭代)的开发模式，整个过程简洁明了，直指问题的核心。

举个简单的例子，图 2所示为使用IronPython[2]编程计算“1+2+ (100)的屏幕截图，我们可以快速地输入一段完成累加求和的代码，然后马上就可以看到结果：▲图 2 使用IronPython编程如果使用C#开发就麻烦多了，您得先用Visual Studio创建一个项目，然后向其中添加一个类，在类中写一个方法完成求和的功能，再编写调用这一方法的代码，编译、排错，最后才能得到所需的结果……很明显，对于那些短小的工作任务而言，动态编程语言所具备的这种REPL 开发模式具有很大的吸引力。

(2)扩展方便。

用户可以随时对代码进行调整，需要什么功能直接往动态对象上“加”就是了，不要时又可以移除它们。

而且这种修改可以马上生效，并不需要像C#那样必须先修改类型的定义和声明，编译之后新方法才可用。

换句话说：使用动态语言编程，不需要“重量级”的OOAD，整个开发过程迭代迅速而从不拖泥带水。

(3)动态编程语言的类型解析是在运行时完成的，可以省去许多不必要的类型转换代码，因此，与静态编程语相比，动态编程语言写的代码往往更紧凑，量更少。

动态编程语言主要的弱点有两个：(1)代码中的许多错误要等到运行时才能发现，而且需要特定的运行环境支持，对其进行测试不太方便，也不支持许多用于提升代码质量的各种软件工程工具，因此不太适合于开发规模较大的、包容复杂处理逻辑的应用系统。

(2)与静态编程语言相比，动态编程语言编写的程序性能较低。

不过随着计算机软硬件技术的不断进步，比如多核CPU的广泛应用，动态编程语言引擎和运行环境不断地优化，动态编程语言编写的程序性能在不断地提升，在特定的应用场景下，甚至可以逼近静态语言编写的程序。

2 拥抱“动态编程”特性的C# 4为了让C#、Visual Basic等.NET编程语言能具备动态编程语言的特性，.NET 4.0引入了一个“DLR(Dynamic Language Runtime：动态语言运行时)”(图 3)。

▲DLR运行于CLR之上，提供了一个动态语言的运行环境，从而允许Python、Ruby等动态语言编写的程序在.NET平台上运行，同时，现有的.NET静态类型编程语言，比如C#和Visual Basic，也可以利用DLR而拥有一些动态编程语言的特性。

(1)使用C# 4编写动态的代码C# 4新增了一个dynamic关键字，可以用它来编写“动态”的代码。

例如，以下代码创建了一个ExpandoObject对象(注意必须定义为dynamic)：dynamic dynamicObj = new ExpandoObject();这一对象的奇特之处在于，我们可以随时给它增加新成员：dynamicObj.Value = 100; //添加字段dynamicObj.Increment = new Action(() => dynamicObj.Value++); //添加方法这些动态添加的成员与普通的类成员用法一样：for (int i = 0; i < 10; i++)dynamicObj.Increment();//调用方法Console.WriteLine("dynamicObj.Value={0}",dynamicObj.Value);//访问字段ExpandoObject对象实现了IDictionary接口，可看成是一个字典对象，所有动态添加的成员都是这个字典对象中的元素，这意味我们不仅可以添加新成员，还可以随时移除不再需要的成员：//移除Increment方法(dynamicObj as IDictionary<string, object>).Remove("Increment");方法移除之后，再尝试访问此方法将引发RuntimeBinderException异常。

(2)使用dynamic关键字简化与COM组件交互的代码要在.NET这个“托管世界”里调用“非托管世界”中的COM组件，我们必须通过“互操作程序集(Interop Assembly)”作为桥梁，“互操作程序集”定义了CLR类型与COM类型之间的对应关系。

只要给.NET项目添加对“互操作程序集”的引用，就可以在.NET应用程序中创建这一程序集所包容的各种类型的实例(即COM包装器对象)，对这些对象的方法调用(或对其属性的存取)将会被转发给COM组件。

以调用Word为例，在C# 4.0之前您可能经常需要编写这样的代码：Object wordapp = new Word.Application(); //创建Word对象Object fileName = “MyDoc.docx” ;//指定Word文档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);上述对Open()方法的调用语句只能用“恐怖”一词来形容，其原因是Word 组件中的Open()方法定义了太多的参数。

C#4使用dynamic关键字，配合从Visual Basic中学来的“命名参数与可选参数”这两个新语法特性，可以写出更简洁的代码：dynamic wordapp = new Word.Application();dynamic doc = wordapp.Documents.Open(FileName: “MyDoc.docx”);上述代码中省去了用不着的参数，并且可以去掉参数前的ref关键字。

当上述代码运行时，DLR会使用反射技术将dynamic表达式“绑定(bind)”到COM互操作程序集中所包容的Word.Application代理对象。

(3)C# 4动态编程技术内幕C#4中所定义的dynamic变量可以引用以下类型的对象：l 传统的“静态”的CLR对象。

l COM包装器对象。

前面已经介绍了这方面的内容。

l 实现了IDynamicMetaObjectProvider接口的“动态对象”，ExpandoObject 就是这种类型对象的实例。

l 基于DLR实现的动态语言(比如IronRuby和IronPython)所创建的对象。

从C#程序员角度来看，所有这四种对象都是一样的，都可用一个dynamic 变量引用之，而DLR在程序运行时动态地将方法调用和字段存取请求“绑定”到真正的对象上。

dynamic的功能是由DLR所支撑的，是C#编译器与DLR分工合作的成果。

请看以下示例代码：dynamic d = 100;d++;C#编译器在处理上述代码时，它并不去检查变量d是否可以支持自增操作，而是为其创建了一个CallSite对象(<>p__Site1)：private static class <Main>o__SiteContainer0 {public static CallSite<Func<CallSite, object, object>> <>p__S ite1;}中文MSDN将CallSite译为“动态(调用)站点”，它是DLR中的核心组件之一。

动态站点对象通过CallSite.Create()方法创建， C#编译器会为其指定一个派生自CallSiteBinder的对象(称为“动态站点绑定对象”)作为其参数。

动态站点绑定对象是与具体语言相关的，比如IronPython和C#都有各自的动态站点绑定对象。

动态站点绑定对象的主要工作是将代码中的动态表达式(本例中为d++)转换为一棵“抽象语法树(AST：Abstract Syntax Tree)”，这棵语法树被称为“DLR Tree”，是在.NET 3.5所引入的LINQ表达式树的基础上扩充而来的，因此，有时又称其为“表达式树(Expression Tree)”DLR在内部调用此表达式树的Compile()方法生成IL指令，得到一个可以被CLR所执行的委托(在本例中其类型就是Func)。

动态调用站点对象(本例中为<>p__Site1)有一个Target属性，它负责引用这一生成好的委托。

委托生成之后，动态表达式的执行就体现为委托的执行，其实参由C#编译器直接“写死”在IL代码中。

简化的代码示意如下(通过Reflector得到，为便于阅读，修改了变量名)：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);上述类型推断、方法绑定及IL代码生成的工作都是在程序运行时完成的。

(4)动态代码很慢吗?动态编程语言易学易用，代码紧凑，开发灵活，但性能则一直是它的“软肋”。