プログラミング C# - 翔ソフトウェア (Sho's): 2014年12月アーカイブ

「C# Advent Calendar 2014」の12日目の記事。

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以前、「[C#][式木][LINQ] Hokuriku.NET C# 勉強会『C# 式木』(2014-10-26、金沢) のスライド公開」で、IQueryable な LINQ について解説した。

LINQ to Objects 復習
IQueryable<T>
式木 (Expression Tree)
式木メタプログラミング
LINQ プロバイダー

本記事では、その中の IQueryable なサンプルを補足する。

IQueryable な LINQ の中はどのようになっているのだろうか。

試しに少し実装してみることで、LINQ について理解を深めよう。

IEnumerable と IQueryable

「[C#][ラムダ式][LINQ][式木] 匿名メソッドとラムダ式の違い」で紹介したように、匿名メソッドは delegate としてしか使えないが、ラムダ式は delegate としても式木としても使うことができる。

※ [C#][ラムダ式][式木] Expression として扱えるラムダ式と扱えないラムダ式」で紹介したように、ラムダ式であれば必ず式木として使うことができるわけではない。

※ クエリ構文は、「式木として扱えるラムダ式」の糖衣構文。つまり、式木を扱うことになる。

参考: LINQ でのクエリ構文とメソッド構文 (C#) - MSDN

LINQ の中には、次の二つの種類のライブラリがある。

delegate を引数にしたもの
- 例. IEnumerable<T>.Where(匿名メソッド)
式木を引数にしたもの
- 例. IQueryable<T>.Where(ラムダ式)

LINQ to Objects などは前者で処理され、LINQ to SQL、LINQ to Entities などは後者だ。

IQueryable なものを作ってみよう

今回は、IQueryable な Twitter のライムラインクラスを作ろうとしてみる。

先ずは IQueryable なクラス QueryableTweets。

※ IQueryable なだけでは OrderBy の対象となることができないので、ここでは IQueryable からの派生で OrderBy 可能な IOrderedQueryable を用いることにする。

// QueryableTweets.cs

using System.Linq;

// IOrderedQueryable<string> な QueryableTweets
// まだ IOrderedQueryable インタフェイスを実装してないのでコンパイル エラー
public class QueryableTweets<TElement> : IOrderedQueryable<TElement>
{}

ここから、Visual Studio でインタフェイスの実装を行うと次のようになる。

// QueryableTweets.cs

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Linq.Expressions;

// IOrderedQueryable<string> な QueryableTweets
// Visual Studio でインタフェイスを実装した直後
public class QueryableTweets<TElement> : IOrderedQueryable<TElement>
{
    public Type ElementType
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }

    public Expression Expression
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }

    public IQueryProvider Provider
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }

    public IEnumerator<TElement> GetEnumerator()
    { throw new NotImplementedException(); }

    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
    { throw new NotImplementedException(); }
}

IQueryable は IEumerable から派生している。そのため IEumerable のメンバーである GetEnumerator() を実装する必要がある。

その他に、ElementType、Expression、Provider というプロパティを実装しなければならない。

実装を進めていこう。このクラスの実装はそれほど大変ではない。

Provider プロパティのために IQueryProvider インタフェイスを持つクラスを用意する必要があるが、ここでは、それを仮に TwitterQueryProvider クラスとしておこう。 TwitterQueryProvider クラスは後述する。

// QueryableTweets.cs

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Linq.Expressions;

// IOrderedQueryable<string> な QueryableTweets
public class QueryableTweets<TElement> : IOrderedQueryable<TElement>
{
    public Type ElementType
    {
        get { return typeof(TElement); }
    }

    public Expression     Expression { get; set; }
    public IQueryProvider Provider   { get; set; }

    public QueryableTweets()
    {
        Provider = new TwitterQueryProvider(); // IQueryProvider インタフェイスを実装したクラス。後述。
        Expression = Expression.Constant(this);
    }

    public IEnumerator<TElement> GetEnumerator()
    { return ((IEnumerable<TElement>)Provider.Execute(Expression)).GetEnumerator(); }

    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
    { return GetEnumerator(); }
}

IQueryProvider なもの (LINQ プロバイダー) を作ろうとしてみよう

続いて、上記 QueryableTweets で使うための、IQueryProvider なものの実装だ。

これは、LINQ プロバイダーと呼ばれるもので、式木としてのクエリーを解釈する。

こちらの実装は大変だ。

クラス名を TwitterQueryProvider として、IQueryProvider を実装していこう。

// TwitterQueryProvider.cs

using System.Linq;

// LINQ プロバイダーの実験用
// まだ IQueryProvider インタフェイスを実装してないのでコンパイル エラー
public class TwitterQueryProvider : IQueryProvider
{}

ここから、Visual Studio でインタフェイスの実装を行うと次のようになる。

// TwitterQueryProvider.cs

using System;
using System.Linq;
using System.Linq.Expressions;

// LINQ プロバイダーの実験用
// Visual Studio でインタフェイスを実装した直後
public class TwitterQueryProvider : IQueryProvider
{
    public IQueryable CreateQuery(Expression expression)
    { throw new NotImplementedException(); }

    public IQueryable<TElement> CreateQuery<TElement>(Expression expression)
    { throw new NotImplementedException(); }

    public object Execute(Expression expression)
    { throw new NotImplementedException(); }

    public TResult Execute<TResult>(Expression expression)
    { throw new NotImplementedException(); }
}

少し実装を進めてみる。

// TwitterQueryProvider.cs

using System;
using System.Linq;
using System.Linq.Expressions;

// LINQ プロバイダーの実験用
public class TwitterQueryProvider : IQueryProvider
{
    IQueryable IQueryProvider.CreateQuery(Expression expression)
    { return null; }

    public IQueryable<TElement> CreateQuery<TElement>(Expression expression)
    { return new QueryableTweets<TElement> { Provider = this, Expression = expression }; }

    public TResult Execute<TResult>(Expression expression)
    { return default(TResult); }

    public object Execute(Expression expression)
    {
        // ここで式木を解釈して、コレクションを作って返す
        return null; // とりあえずは仮に null を返すだけにしておく
    }
}

この中で、ポイントとなるのは Execute メソッドだ。

この Execute メソッドには、式木が渡ってくる。この式木を解釈してやって、そこからコレクションとしての結果を返してやれば良い。

ここは後で実装することにして、とりあえずは null を返すだけにしておく。

ExpressionVisitor の派生クラスで Visitor パターンによる式木の解釈

LINQ プロバイダーの Execute メソッドでの式木を解釈だが、それには、ExpressionVisitor というクラスが使える。

ExpressionVisitor から派生することで、Visitor パターンによる解析が可能となる。

参考: ExpressionVisitor クラス - MSDN

LINQ のための式木をきちんと解釈するのは、かなり大変なことだ。

ここでは、ごく一部の構文にだけ注目して、そこのみに対応することにする。

取り敢えずの最低限のサンプルコード、Where(text => text.Contains("C#")) の形にのみ対応してみる。

尚、この中では、Twitter のタイムラインを取得する TwitterTimeline クラスを使っているが、 TwitterTimeline クラスは後述する。

// TwitterExpressionVisitor.cs

using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Linq.Expressions;

// Visitor パターンで式木を解析して検索用文字列を取り出し、それを使って Twitter のタイムラインを取得する
public class TwitterExpressionVisitor : ExpressionVisitor
{
    public IEnumerable<string> Statuses { get; private set; }

    // 取り敢えずの最低限のサンプル コード
    // Where(text => text.Contains("C#")) の形にのみ対応してみる
    protected override Expression VisitMethodCall(MethodCallExpression expression)
    {
        // もし Where メソッドを呼ぶ式だったら
        if (expression.Method.Name == "Where") {
            // Where メソッドの第二引数であるラムダ式を取り出す
            var lambdaExpression = (LambdaExpression)((UnaryExpression)(expression.Arguments[1])).Operand;
            // そのラムダ式の Body 部を取り出す
            var bodyExpression = lambdaExpression.Body as MethodCallExpression;
            // もし Contains メソッドを呼ぶ式で
            if (bodyExpression != null && bodyExpression.Method.Name == "Contains") {
                // その引数が定数式だったら
                var constantExpression = bodyExpression.Arguments[0] as ConstantExpression;
                if (constantExpression != null) {
                    // その定数の値を検索文字列とし
                    var searchText = constantExpression.Value as string;
                    if (searchText != null)
                        // TwitterTimeline クラス (後述) を使って、タイムラインからその検索文字列にあたる Status を取得しておく
                        Statuses = new TwitterTimeline().Filter(searchText).Select(status => status.Text);
                }
            }
        }
        return base.VisitMethodCall(expression);
    }
}