開源純C#工控網關+組態軟件(八)表達式編譯器

時間 2019-11-20

標籤開源 c# 網關軟件表達式編譯器欄目 C# 简体版

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1、引子html

監控畫面的主要功能之一就是跟蹤下位機變量變化，並將這些變化展示爲動畫。大部分時候，界面上一個圖元組件的某個狀態，與單一變量Tag綁定，好比電機的運行態，綁定一個MotorRunning信號；但有些時候不會這麼簡單，好比溫度計在溫度高於50℃顯示紅色;某設備報警，多是多個條件其中之一觸發的結果；變量變化觸發一系列連鎖反應…如此種種。考慮到工控行業大部分技術人員並不是計算機專業出身，如何可以用最少的編碼解決各類複雜的變量-動畫綁定問題，無疑要費一番心思。git

2、 方案選型github

針對變量動畫綁定問題，能夠選擇的方案包括以下幾種：數據庫

腳本編譯器

很多大型組態軟件包含強大的腳本編輯器，支持諸如VBS、Python甚至C腳本語言。腳本自帶語法編輯器、調試器和編譯器，調用的API一應俱全，如數據庫API，通信API，畫面組態API…能夠用腳本實現很是複雜的邏輯。express

但基於下面幾種考慮，我沒有實現這類的腳本編譯器：編程

不一樣於大部分組態軟件包含一個獨立的界面設計器，我用Visual Studio來肩挑語法編輯、調試、編譯和界面設計的重任，不必畫蛇添足的搞一個獨立的腳本編譯器。
C#結合Visual Studio來調用通信、數據庫連接的各種函數，C#包含強大的語法功能，配合.NET 類庫幾乎無所不能，同時C#也支持腳本化，沒有必要在使用其餘腳本語言。

對於複雜的邏輯，就讓C#配合VS神器來完成吧。數組

運算符重載。

曾經研究過一個C#寫的腳本編譯系統，它能夠實現兩個特定集合間的四則運算和邏輯運算，如List1.A+List2.A;List1.A>List2.B。看上去集合就像一個普通的數值那樣參與運算和操做。架構

運算符重載是C#一個強大的語法功能，能夠重載的操做符以下：編輯器

運算符函數	可重載性
+、-、!、~、++、--、true、false	能夠重載這些一元運算符。 true和false運算符必須成對重載。
+、-、*、/、%、&、\|、^、<<、>>	能夠重載這些二元運算符。
==、!=、<、>、<=、>=	能夠重載比較運算符。必須成對重載。
&&、\|\|	不能重載條件邏輯運算符。但可使用可以重載的&和\|進行計算。
[]	不能重載數組索引運算符，但能夠定義索引器。
()	不能重載轉換運算符，但能夠定義新的轉換運算符。
+=、-=、*=、/=、%=、&=、\|=、^=、<<=、>>=	不能顯式重載賦值運算符。在重寫單個運算符如+、-、%時，它們會被隱式重寫。
=、.、?:、->、new、is、sizeof、typeof

無疑運算符重載用的好能夠寫出語義更清晰、更簡潔的代碼。

好比有一種複數類型Complex，有兩個座標x和y；定義ComplexA大於ComplexB爲： A的x，y中至少有一個大於B的x，y。我只須要重載>操做符（相應的最好重載>=,<,<=），之後只須要A>B就能代替重複囉嗦的A.x>B.x||A.y>B.y。更可喜的是，重載後的>,<這些運算符，在.Net表達式樹(ExpressionTree)中已經替換了它原來的語義。所以運算符重載在我這個編譯器也有它用武之地。

但出於下面兩個緣由，它只適合做爲編譯引擎的輔助，而不適合單獨使用：

首先運算符重載只針對特定的類型；對於不熟悉C#語法特性的編程者，理解並正確的使用運算符重載不是件容易的事。
運算符重載能夠減小重複的代碼，讓語法更簡潔；但依然要寫C#代碼，不適合大部分工控人員。

訂閱事件

若是想省事，最簡單的辦法是直接寫代碼，例如：若是一臺電機的運行須要A,B,C三個前提條件均知足，我就分別訂閱A、B、C的變量變化事件，若是A由fasle變爲true，再看看其餘兩個變量觸發沒有。也就是寫這樣幾行代碼：

            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)
                      {
                          //執行
                      }
                  };
                tag2.ValueChanged += (s, e) =>
                {
                    if (tag1.Value.Boolean && tag2.Value.Boolean && tag3.Value.Boolean)
                    {
                        //執行
                    }
                };
                tag3.ValueChanged += (s, e) =>
                {
                    if (tag1.Value.Boolean && tag2.Value.Boolean && tag3.Value.Boolean)
                    {
                        //執行
                    }
                };
            }

看上去不算複雜吧？若是界面上有50個動畫，這樣的代碼就要寫50次。不但浪費時間，改起來麻煩，查起來也麻煩。更糟糕的是，不懂編程的人還用不了。

表達式編譯器

對於大部分零編程基礎的上位機設計人員，他們須要的是一種沒有學習和理解成本的、簡單直觀的變量綁定方式。

好比溫度計在溫度高於50℃顯示紅色，就一句話【temperature>50】;某設備顯示報警，多是多個報警變量其中之一觸發的結果，只需寫【Alarm1||Alarm2||Alarm3】…藉助微軟強大的表達式引擎，若是能解析這類變量表達式，設計者只須要知道圖元與變量的邏輯關係；而極少數表達式也難以企及的功能，略微懂一點C#就能夠實現。這樣就能夠作到使用簡單，上手容易，同時又能夠知足複雜的需求。

同時還有下面幾個額外的好處：

最少的編碼量：在一個界面的cs文件裏，幾乎沒有代碼。綁定邏輯在XAML內用直觀的方式嵌入：

能夠用複製、粘貼和文本替換等功能減小重複編碼；
能夠充分利用WPF的設計器擴展，實現一個簡單的語法編輯器，實現語法高亮、自動完成並執行語法檢查；
查找變量邏輯和修改很方便。

這個編譯器的主要代碼在Eval類。

3、 本身實現一個編譯器

編譯原理

大學計算機都有一門編譯原理課程。當年我也捧着一本教材，被「波蘭表達式」、「逆波蘭表達式」繞的雲裏霧裏，然而逆波蘭表達式是實現編譯器的關鍵。

逆波蘭表達式的優點在於只用兩種簡單操做，入棧和出棧就能夠搞定任何普通表達式的運算。其運算方式以下：

若是當前字符爲變量或者爲數字，則壓棧，若是是運算符，則將棧頂兩個元素彈出做相應運算，結果再入棧，最後當表達式掃描完後，棧裏的就是結果。

如何實現本身的編譯器，微軟已經給你們現成的輪子了。微軟的Expression類提供了一套拼接、編譯Lambda表達式的完整方法，能夠用它輕鬆定義你本身的語法。相關知識能夠參考博客園裝配腦殼的本身動手開發編譯器系列文章：http://www.cnblogs.com/Ninputer/archive/2011/06/18/2084383.html。下面就以這個SCADA項目爲例：

定義語法

在這一版，我只實現了最基本最經常使用的一些操做，如四則運算（+-*/）、邏輯運算(&|!)、取反取模、三目條件等運算。

GetOperatorLevel函數按照C#的運算符優先級定義運算優先級。

定義了@開頭的自定義函數如@Date取當前日期、@App取當前路徑等。

IsConstant方法定義系統常數，其中True/False表示邏輯常量，字符串常量用’’。

編譯過程

編譯過程就是將一個字符串轉換爲一個帶返回值的函數；函數的參數就是表達式相關的Tag的值。依次爲：

RpnExpression方法：將中綴表達式轉換爲逆波蘭表達式。用關鍵字將表達式字符串分割爲一個數組；按照優先級出棧入棧；返回一個逆波蘭表達式順序的字符串列表。
ComplieRpnExp方法：根據逆波蘭表達式順序，依次彈出運算符轉換爲Expression的各子類如二元表達式BinaryExpression、條件表達式ConditionalExpression、常數表達式ConstantExpression等；參數首先判斷是否常數，若是不是，則調用GetTagExpression方法，將字符串轉換爲方法調用MethodCallExpression，最終會將該參數編譯爲一個Tag。通過處理最終返回一個LambdaExpression。
Eval方法將LambdaExpression編譯爲一個委託；相關的Tag加入列表TagList。

4、 應用場景

表達式與動畫綁定

在每個界面窗體都有幾乎同樣的幾行代碼：

       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就是對當前界面全部圖元進行地毯式掃描，搜索出各控件相關的TagReadText表達式並用Eval類編譯之；編譯的結果轉換爲帶返回值的函數和一個相關Tag的列表；遍歷這個Tag列表，將其值變化事件ValueChanged與這個函數連接起來。這樣，在加載界面的時候已經完成了編譯過程，相關變量的值一旦改變，就會根據表達式返回一個值，若是這個值是布爾量，同時與電機的運行動畫綁定，就完成了從表達式到動畫的觸發過程。