开源纯C#工控网关+组态软件(八)表达式编译器

一、引子

监控画面的主要功能之一就是跟踪下位机变量变化，并将这些变化展现为动画。大部分时候，界面上一个图元组件的某个状态，与单一变量Tag绑定，比如电机的运行态，绑定一个MotorRunning信号；但有些时候不会这么简单，比如温度计在温度高于50℃显示红色;某设备报警，可能是多个条件其中之一触发的结果；变量变化触发一系列连锁反应…如此种种。考虑到工控行业大部分技术人员并非计算机专业出身，如何能够用最少的编码解决各种复杂的变量-动画绑定问题，无疑要费一番心思。

二、方案选型

针对变量动画绑定问题，可以选择的方案包括如下几种：

脚本编译器

不少大型组态软件包含强大的脚本编辑器，支持诸如VBS、Python甚至C脚本语言。脚本自带语法编辑器、调试器和编译器，调用的API包罗万象，如数据库API，通讯API，画面组态API…可以用脚本实现非常复杂的逻辑。

但基于下面几种考虑，我没有实现这类的脚本编译器：

不同于大部分组态软件包含一个独立的界面设计器，我用Visual Studio来肩挑语法编辑、调试、编译和界面设计的重任，没必要多此一举的搞一个独立的脚本编译器。
C#结合Visual Studio来调用通讯、数据库链接的各类函数，C#包含强大的语法功能，配合.NET 类库几乎无所不能，同时C#也支持脚本化，没有必要在使用其他脚本语言。

对于复杂的逻辑，就让C#配合VS神器来完成吧。

运算符重载。

曾经研究过一个C#写的脚本编译系统，它可以实现两个特定集合间的四则运算和逻辑运算，如List1.A+List2.A;List1.A>List2.B。看上去集合就像一个普通的数值那样参与运算和操作。

运算符重载是C#一个强大的语法功能，可以重载的操作符如下：

运算符	可重载性
+、-、!、~、++、--、true、false	可以重载这些一元运算符。 true和false运算符必须成对重载。
+、-、*、/、%、&、\|、^、<<、>>	可以重载这些二元运算符。
==、!=、<、>、<=、>=	可以重载比较运算符。必须成对重载。
&&、\|\|	不能重载条件逻辑运算符。但可以使用能够重载的&和\|进行计算。
[]	不能重载数组索引运算符，但可以定义索引器。
()	不能重载转换运算符，但可以定义新的转换运算符。
+=、-=、*=、/=、%=、&=、\|=、^=、<<=、>>=	不能显式重载赋值运算符。在重写单个运算符如+、-、%时，它们会被隐式重写。
=、.、?:、->、new、is、sizeof、typeof

无疑运算符重载用的好可以写出语义更清晰、更简洁的代码。

比如有一种复数类型Complex，有两个坐标x和y；定义ComplexA大于ComplexB为： A的x，y中至少有一个大于B的x，y。我只需要重载>操作符（相应的最好重载>=,<,<=），以后只需要A>B就能代替重复啰嗦的A.x>B.x||A.y>B.y。更可喜的是，重载后的>,<这些运算符，在.Net表达式树(ExpressionTree)中已经替换了它原来的语义。因此运算符重载在我这个编译器也有它用武之地。

但出于下面两个原因，它只适合作为编译引擎的辅助，而不适合单独使用：

首先运算符重载只针对特定的类型；对于不熟悉C#语法特性的编程者，理解并正确的使用运算符重载不是件容易的事。
运算符重载可以减少重复的代码，让语法更简洁；但依然要写C#代码，不适合大部分工控人员。

订阅事件

如果想省事，最简单的办法是直接写代码，例如：如果一台电机的运行需要A,B,C三个前提条件均满足，我就分别订阅A、B、C的变量变化事件，如果A由fasle变为true，再看看其他两个变量触发没有。也就是写这样几行代码：

var tag1 = App.Server["A"];

var tag2 = App.Server["B"];

var tag3 = App.Server["C"];

if (tag1 != null && tag2 != null && tag3 != null

{

tag1.ValueChanged += (s, e) =>

{

if (tag1.Value.Boolean && tag2.Value.Boolean && tag3.Value.Boolean)

{

//执行

}

};

tag2.ValueChanged += (s, e) =>

{

if (tag1.Value.Boolean && tag2.Value.Boolean && tag3.Value.Boolean)

{

//执行

}

};

tag3.ValueChanged += (s, e) =>

{

if (tag1.Value.Boolean && tag2.Value.Boolean && tag3.Value.Boolean)

{

//执行

}

};

}

看上去不算复杂吧？如果界面上有50个动画，这样的代码就要写50次。不但浪费时间，改起来麻烦，查起来也麻烦。更糟糕的是，不懂编程的人还用不了。

表达式编译器

对于大部分零编程基础的上位机设计人员，他们需要的是一种没有学习和理解成本的、简单直观的变量绑定方式。

比如温度计在温度高于50℃显示红色，就一句话【temperature>50】;某设备显示报警，可能是多个报警变量其中之一触发的结果，只需写【Alarm1||Alarm2||Alarm3】…借助微软强大的表达式引擎，如果能解析这类变量表达式，设计者只需要知道图元与变量的逻辑关系；而极少数表达式也难以企及的功能，略微懂一点C#就可以实现。这样就可以做到使用简单，上手容易，同时又可以满足复杂的需求。

同时还有下面几个额外的好处：

最少的编码量：在一个界面的cs文件里，几乎没有代码。绑定逻辑在XAML内用直观的方式嵌入：

可以用复制、粘贴和文本替换等功能减少重复编码；
可以充分利用WPF的设计器扩展，实现一个简单的语法编辑器，实现语法高亮、自动完成并执行语法检查；
查找变量逻辑和修改很方便。

这个编译器的主要代码在Eval类。

三、自己实现一个编译器

编译原理

大学计算机都有一门编译原理课程。当年我也捧着一本教材，被“波兰表达式”、“逆波兰表达式”绕的云里雾里，然而逆波兰表达式是实现编译器的关键。

逆波兰表达式的优势在于只用两种简单操作，入栈和出栈就可以搞定任何普通表达式的运算。其运算方式如下：

如果当前字符为变量或者为数字，则压栈，如果是运算符，则将栈顶两个元素弹出作相应运算，结果再入栈，最后当表达式扫描完后，栈里的就是结果。

如何实现自己的编译器，微软已经给大家现成的轮子了。微软的Expression类提供了一套拼接、编译Lambda表达式的完整方法，可以用它轻松定义你自己的语法。相关知识可以参考博客园装配脑袋的自己动手开发编译器系列文章：http://www.cnblogs.com/Ninputer/archive/2011/06/18/2084383.html。下面就以这个SCADA项目为例：

定义语法

在这一版，我只实现了最基本最常用的一些操作，如四则运算（+-*/）、逻辑运算(&|!)、取反取模、三目条件等运算。

GetOperatorLevel函数按照C#的运算符优先级定义运算优先级。

定义了@开头的自定义函数如@Date取当前日期、@App取当前路径等。

IsConstant方法定义系统常数，其中True/False表示逻辑常量，字符串常量用’’。

编译过程

编译过程就是将一个字符串转换为一个带返回值的函数；函数的参数就是表达式相关的Tag的值。依次为：

RpnExpression方法：将中缀表达式转换为逆波兰表达式。用关键字将表达式字符串分割为一个数组；按照优先级出栈入栈；返回一个逆波兰表达式顺序的字符串列表。
ComplieRpnExp方法：根据逆波兰表达式顺序，依次弹出运算符转换为Expression的各子类如二元表达式BinaryExpression、条件表达式ConditionalExpression、常数表达式ConstantExpression等；参数首先判断是否常数，如果不是，则调用GetTagExpression方法，将字符串转换为方法调用MethodCallExpression，最终会将该参数编译为一个Tag。经过处理最终返回一个LambdaExpression。
Eval方法将LambdaExpression编译为一个委托；相关的Tag加入列表TagList。

四、应用场景

表达式与动画绑定

在每一个界面窗体都有几乎一样的几行代码：

List<TagNodeHandle> _valueChangedList;

private void HMI_Loaded(object sender, RoutedEventArgs e)

{

lock (this)

{

_valueChangedList = cvs1.BindingToServer(App.Server);

}

private void HMI_Unloaded(object sender, RoutedEventArgs e)

{

lock (this)

{

App.Server.RemoveHandles(_valueChangedList);

}

其中, BindingToServer就是对当前界面所有图元进行地毯式扫描，搜索出各控件相关的TagReadText表达式并用Eval类编译之；编译的结果转换为带返回值的函数和一个相关Tag的列表；遍历这个Tag列表，将其值变化事件ValueChanged与这个函数链接起来。这样，在加载界面的时候已经完成了编译过程，相关变量的值一旦改变，就会根据表达式返回一个值，如果这个值是布尔量，同时与电机的运行动画绑定，就完成了从表达式到动画的触发过程。