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翻譯自 Camilo Reyes 2018年10月15日的文章?《Working with the Dynamic Type in C#》?^[1]??

.NET 4 中引入了動態(tài)類型。動態(tài)對象使您可以處理諸如 JSON 文檔之類的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的組成可能要到運行時才能知道。在本文中，Camilo Reyes 解釋了如何使用動態(tài)類型。

.NET 4.0 中引入的?dynamic?關(guān)鍵字為 C# 編程帶來了一個范式轉(zhuǎn)變。對于 C# 程序員來說，強(qiáng)類型系統(tǒng)之上的動態(tài)行為可能會讓人感到不適 —— 當(dāng)您在編譯過程中失去類型安全性時，這似乎是一種倒退。

動態(tài)編程可能使您面臨運行時錯誤。聲明一個在執(zhí)行過程中會發(fā)生變化的動態(tài)變量是可怕的，當(dāng)開發(fā)人員對數(shù)據(jù)做出錯誤的假設(shè)時，代碼質(zhì)量就會受到影響。

對 C# 程序員來說，避免代碼中的動態(tài)行為是合乎邏輯的，具有強(qiáng)類型的經(jīng)典方法有很多好處。通過類型檢查得到的數(shù)據(jù)類型的良好反饋對于正常運行的程序是至關(guān)重要的，一個好的類型系統(tǒng)可以更好地表達(dá)意圖并減少代碼中的歧義。

隨著動態(tài)語言運行時（Dynamic Language Runtime，DLR）的引入，這對 C# 意味著什么呢？.NET 提供了豐富的類型系統(tǒng)，可用于編寫企業(yè)級軟件。讓我們來仔細(xì)看看?dynamic?關(guān)鍵字，并探索一下它的功能。

類型層次結(jié)構(gòu)

公共語言運行時（Common Language Runtime，CLR）中的每種類型都繼承自?System.Object，現(xiàn)在，請重復(fù)閱讀這句話，直到將其銘記于心。這意味著?object?類型是整個類型系統(tǒng)的公共父類。當(dāng)我們研究更神奇的動態(tài)行為時，這一事實本身就能為我們提供幫助。這里的想法是開發(fā)這種“代碼感”，以便于您了解如何駕馭 C# 中的動態(tài)類型。

為了演示這一點，您可以編寫以下程序：

Console.WriteLine("long inherits from ValueType: " + typeof(long).IsSubclassOf(typeof(ValueType)));

我將忽略?using?語句直到本文結(jié)束，以保持對代碼示例的專注。然后，我再介紹每個命名空間及其作用。這樣我就不必重復(fù)說過的話，并提供了一個回顧所有類型的機(jī)會。

上面的代碼在控制臺中的運算結(jié)果為?True。.NET 中的?long?類型是值類型，因此它更像是枚舉或結(jié)構(gòu)體。ValueType?重寫來自?object?類的默認(rèn)行為。ValueType?的子類在棧（stack）上運行，它們的生命周期較短，效率更高。

要驗證?ValueType?是繼承自?System.Object?的，請執(zhí)行以下代碼：

Console.WriteLine("ValueType inherits from System.Object: " + typeof(ValueType).IsSubclassOf(typeof(Object)));

它的運算結(jié)果為?True。這是一條可以追溯到?System.Object?的繼承鏈。對于值類型，鏈中至少有兩個父級。

再看一下從?System.Object?派生的另一個 C# 類型，例如：

Console.WriteLine("string inherits from System.Object: " + typeof(string).IsSubclassOf(typeof(Object)));

此代碼在控制臺中顯示為?True。另一種從?object?繼承的類型是引用類型，引用類型在堆（heap）上分配并進(jìn)行垃圾回收，CLR 管理著引用類型，并在必要時從堆中釋放它們。

查看下圖，您可以直觀地看到 CLR 的類型系統(tǒng)：

值類型和引用類型都是 CLR 的基本構(gòu)建塊，這種優(yōu)雅的類型系統(tǒng)在 .NET 4.0 和動態(tài)類型之前就有了。我建議您在使用 C# 中的類型時，在腦海中記住這張圖。那么，DLR 是如何適應(yīng)這張圖的呢?

動態(tài)語言運行時（DLR）

動態(tài)語言運行時（Dynamic Language Runtime, DLR）是處理動態(tài)對象的一種便捷方法。比如，假設(shè)您有 XML 或 JSON 格式的數(shù)據(jù)，其中的成員事先并不知道。DLR 允許您使用自然代碼來處理對象和訪問成員。

對于 C#，這使您可以處理在編譯時不知道其類型的庫。動態(tài)類型消除了自然 API 代碼中的萬能字符串。這就開啟了像 IronPython 一樣位于 CLR 之上的動態(tài)語言。

可以將 DLR 視為支持三項主要服務(wù)：

表達(dá)式樹，來自 System.Linq.Expressions 命名空間。編譯器在運行時生成具有動態(tài)語言互操作性的表達(dá)式樹。動態(tài)語言超出了本文的討論范圍，這里就不作介紹了。
調(diào)用站點緩存，即緩存動態(tài)操作的結(jié)果。DLR 緩存像?a + b?之類的操作，并存儲?a?和?b?的特征。當(dāng)執(zhí)行動態(tài)操作時，DLR 將檢索先前操作中可用的信息。
動態(tài)對象互操作性是可用于訪問 DLR 的 C# 類型。這些類型包括?DynamicObject?和?ExpandoObject。可用的類型還有很多，但是在處理動態(tài)類型時請注意這兩種類型。

要了解 DLR 和 CLR 是如何結(jié)合在一起的，請看下圖：

DLR 位于 CLR 之上。回想一下，我說過的每種類型都是從?System.Object?派生而來的。嗯，這句話對于 CLR 是適用的，但是對于 DLR 呢？我們使用下面的程序來測試一下這個理論：

Console.WriteLine("ExpandoObject inherits from System.Object: " + typeof(ExpandoObject).IsSubclassOf(typeof(Object)));

Console.WriteLine("DynamicObject inherits from System.Object: " + typeof(DynamicObject).IsSubclassOf(typeof(Object)));

ExpandoObject?和?DynamicObject?在命令行中輸出的值都是?True。可以將這兩個類視為使用動態(tài)類型的基本構(gòu)建塊，它們清楚地描繪了兩個運行時是如何結(jié)合在一起的。

一個 JSON 序列化程序

動態(tài)類型解決的一個問題是，當(dāng)您有一個不知道其成員的 JSON HTTP 請求時，假設(shè)要在 C# 中使用此任意的 JSON。要解決這個問題，請將此 JSON 序列化為 C# 動態(tài)類型。

我將使用 Newtonsoft 序列化庫，您可以通過 NuGet 添加此依賴項，例如：

dotnet add package Newtonsoft.Json –-version 11.0.2

您可以使用這個序列化程序來處理?ExpandoObject?和?DynamicObject。探索每種動態(tài)類型給動態(tài)編程帶來了什么。

ExpandoObject 動態(tài)類型

ExpandoObject?是一種方便的類型，允許設(shè)置和檢索動態(tài)成員。它實現(xiàn)了?IDynamicMetaObjectProvider，該接口允許在 DLR 中的語言之間共享實例。因為它實現(xiàn)了?IDictionary?和?IEnumerable，所以它也可以處理 CLR 中的類型。舉例來說，它允許將?ExpandoObject?的實例轉(zhuǎn)換為?IDictionary，然后像其它任意的?IDictionary?類型一樣枚舉成員。

要用?ExpandoObject?處理任意 JSON，您可以編寫以下程序：

var exObj = JsonConvert.DeserializeObject("{\"a\":1}") as dynamic;

Console.WriteLine($"exObj.a = {exObj?.a}, type of {exObj?.a.GetType()}");
//exObj.a = 1, type of System.Int64

它將會在控制臺打印?1?和?long。請注意，盡管它是一個動態(tài) JSON，但它會綁定到 CLR 中的 C# 類型。由于數(shù)字的類型未知，因此序列化程序默認(rèn)會選擇最大的?long?類型。注意，我成功地將序列化結(jié)果轉(zhuǎn)換成了具有 null 檢查的?dynamic?類型，其原因是序列化程序返回來自 CLR 的?object?類型。因為?ExpandoObject?繼承自?System.Object，所以可以被拆箱成 DLR 類型。

更奇妙的是，可以用?IDictionary?枚舉?exObj：

foreach (var exObjProp in exObj as IDictionary<string, object> ?? new Dictionary<string, object>())
{
    Console.WriteLine($"IDictionary = {exObjProp.Key}: {exObjProp.Value}");
}

它在控制臺中輸出?IDictionary = a: 1。請確保使用?string?和?object?作為鍵和值的類型。否則，將在轉(zhuǎn)換的過程中拋出?RuntimeBinderException?異常。

DynamicObject 動態(tài)類型

DynamicObject?提供對動態(tài)類型的精確控制。您可以繼承該類型并重寫動態(tài)行為。例如，您可以定義如何設(shè)置和獲取類型中的動態(tài)成員。DynamicObject?允許您通過重寫選擇實現(xiàn)哪些動態(tài)操作。這比實現(xiàn)?IDynamicMetaObjectProvider?的語言實現(xiàn)方式更易訪問。它是一個抽象類，需要繼承它而不是實例化它。該類有 14 個虛方法，它們定義了類型的動態(tài)操作，每個虛方法都允許重寫以指定動態(tài)行為。

假設(shè)您想要精確控制動態(tài) JSON 中的內(nèi)容。盡管事先不知道其屬性，您卻可以使用?DynamicObject?來控制類型。

讓我們來重寫三個方法，TryGetMember、TrySetMember?和?GetDynamicMemberNames：

public class TypedDynamicJson<T> : DynamicObject
{
    private readonly IDictionary<string, T> _typedProperty;

    public TypedDynamicJson()
    {
        _typedProperty = new Dictionary<string, T>();
    }

    public override bool TryGetMember(GetMemberBinder binder, out object result)
    {
        T typedObj;

        if (_typedProperty.TryGetValue(binder.Name, out typedObj))
        {
            result = typedObj;

            return true;
        }

        result = null;

        return false;
    }

    public override bool TrySetMember(SetMemberBinder binder, object value)
    {
        if (value.GetType() != typeof(T))
        {
            return false;
        }

        _typedProperty[binder.Name] = (T)value;

        return true;
    }

    public override IEnumerable<string> GetDynamicMemberNames()
    {
        return _typedProperty.Keys;
    }
}

C# 泛型強(qiáng)類型?_typedProperty?以泛型的方式驅(qū)動成員類型。這意味著其屬性類型來自泛型類型?T。動態(tài) JSON 成員位于字典中，并且僅存儲泛型類型。此動態(tài)類型允許同一類型的同類成員集合。盡管它允許動態(tài)成員集，但您可以強(qiáng)類型其行為。假設(shè)您只關(guān)心任意 JSON 中的?long?類型：

var dynObj = JsonConvert.DeserializeObjectlong>>("{\"a\":1,\"b\":\"1\"}") as dynamic;
Console.WriteLine($"dynObj.a = {dynObj?.a}, type of {dynObj?.a.GetType()}");

var members = string.Join(",", dynObj?.GetDynamicMemberNames());
Console.WriteLine($"dynObj member names: {members}");

結(jié)果是，您將看到一個值為?1?的屬性，因為第二個屬性是?string?類型。如果將泛型類型更改為?string，將會獲得第二個屬性。

類型結(jié)果

到目前為止，已經(jīng)涉及了相當(dāng)多的領(lǐng)域; 以下是一些亮點：

CLR 和 DLR?中的所有類型都繼承自?System.Object
DLR 是所有動態(tài)操作發(fā)生的地方
ExpandoObject?實現(xiàn)了 CLR 中諸如?IDictionary?的可枚舉類型
DynamicObject?通過虛方法對動態(tài)類型進(jìn)行精確控制

看一下在控制臺的結(jié)果截圖：

單元測試

對于單元測試，我將使用 xUnit 測試框架。在 .NET Core 中，您可以使用?dotnet new xunit?命令添加一個測試項目。一個顯而易見的問題是模擬和驗證動態(tài)參數(shù)，例如，假設(shè)您想驗證一個方法調(diào)用是否具有動態(tài)屬性。

要使用 Moq 模擬庫，您可以通過 NuGet 添加此依賴項，例如：

dotnet add package Moq –-version 4.10.0

假設(shè)您有一個接口，其想法是驗證它是否被正確的動態(tài)對象調(diào)用。

public interface IMessageBus
{
  void Send(dynamic message);
}

忽略該接口的實現(xiàn)。這些實現(xiàn)細(xì)節(jié)對于編寫單元測試不是必需的。下面是被測試的系統(tǒng)：

public class MessageService
{
    private readonly IMessageBus _messageBus;

    public MessageService(IMessageBus messageBus)
    {
        _messageBus = messageBus;
    }

    public void SendRawJson<T>(string json)
    {
        var message = JsonConvert.DeserializeObject(json) as dynamic;

        _messageBus.Send(message);
    }
}

您可以使用泛型，這樣就可以為序列化程序傳入動態(tài)類型。然后調(diào)用?IMessageBus?并發(fā)送動態(tài)消息。被測試的方法接受一個?string?參數(shù)，并使用?dynamic?類型進(jìn)行調(diào)用。

對于單元測試，請將其封裝在?MessageServiceTests?類中。首先初始化 Mock 和被測試的服務(wù)：

public class MessageServiceTests
{
    private readonly Mock _messageBus;
    private readonly MessageService _service;

    public MessageServiceTests()
    {
        _messageBus = new Mock();

        _service = new MessageService(_messageBus.Object);
    }
}

使用 Moq 庫中的 C# 泛型來模擬?IMessageBus，然后使用?Object?屬性創(chuàng)建一個模擬實例。在所有的單元測試中私有實例變量都很有用，高可重用性的私有實例增加了類的內(nèi)聚性。

使用 Moq 驗證調(diào)用，一種直觀的方式是嘗試這么做：

_messageBus.Verify(m => m.Send(It.Is(o => o != null && (o as dynamic).a == 1)));

但是，遺憾的是，您將看到這樣的錯誤消息：“表達(dá)式樹不能包含動態(tài)操作。” 這是因為 C# lambda 表達(dá)式無法訪問 DLR，它期望一個來自 CLR 的類型，這使得此動態(tài)參數(shù)難以驗證。記得您的訓(xùn)練，利用您的“代碼感”來解決這個問題。

要處理諸如類型之間不一致的問題，請使用?Callback?方法：

dynamic message = null;

_messageBus.Setup(m => m.Send(It.IsAny())).Callback<object>(o => message = o);

請注意，Callback?方法將類型轉(zhuǎn)換為?System.Object。因為所有類型都繼承自?object?類型，所以可以將其賦值為?dynamic?類型。C# 可以把此 lambda 表達(dá)式中的?object?拆箱成?dynamic message。

是時候為?ExpandoObject?類型編寫一個漂亮的單元測試了。使用 xUnit 作為測試框架，您將看到帶有?Fact?屬性的方法。

[Fact]
public void SendsWithExpandoObject()
{
    // arrange
    const string json = "{\"a\":1}";
    dynamic message = null;

    _messageBus.Setup(m => m.Send(It.IsAny())).Callback<object>(o => message = o);

    // act
    _service.SendRawJson(json);

    // assert
    Assert.NotNull(message);
    Assert.Equal(1, message.a);
}

使用?DynamicObject?類型進(jìn)行測試，重用您之前看到的?TypedDynamicJson：

[Fact]
public void SendsWithDynamicObject()
{
    // arrange
    const string json = "{\"a\":1,\"b\":\"1\"}";
    dynamic message = null;

    _messageBus.Setup(m => m.Send(It.IsAnylong>>())).Callback<object>(o => message = o);

    // act
    _service.SendRawJsonlong>>(json);

    // assert
    Assert.NotNull(message);
    Assert.Equal(1, message.a);
    Assert.Equal("a", string.Join(",", message.GetDynamicMemberNames()));
}

使用 C# 泛型，您可以在重用代碼的同時轉(zhuǎn)換序列化程序的動態(tài)類型。Moq 中的?Callback?方法允許您在兩種類型系統(tǒng)之間進(jìn)行必要的跳轉(zhuǎn)。擁有一個優(yōu)雅的類型層次結(jié)構(gòu)和一個共同的父類成為了一個救星。

Using 語句

下面的 using 語句是代碼示例的一部分：

System: CLR 的基礎(chǔ)類型，例如 Object 和 Console
System.Collections.Generic: 可枚舉類型，例如 IDictionary
System.Dynamic: DLR 的動態(tài)類型，例如 ExpandoObject 和 DynamicObject
Newtonsonft.Json: JSON 序列化程序
Moq: 模擬庫
Xunit: 測試框架

總結(jié)

C# 動態(tài)類型或許看起來令人望而生畏，但它在強(qiáng)類型系統(tǒng)之上有很多好處。DLR 是所有動態(tài)操作發(fā)生和與 CLR 交互的地方，類型繼承使同時處理這兩個類型系統(tǒng)變得容易。在 C# 中，動態(tài)和靜態(tài)編程之間并沒有對立，這兩種類型系統(tǒng)共同協(xié)作，以創(chuàng)造性的方式解決動態(tài)問題。

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