C#的扩展方法解析

    在使用面向对象的语言进行项目开发的过程中，较多的会使用到“继承”的特性，但是并非所有的场景都适合使用“继承”特性，在设计模式的一些基本原则中也有较多的提到。

    继承的有关特性的使用所带来的问题：对象的继承关系实在编译时就定义好了，所以无法在运行时改变从父类继承的实现。子类的实现与它父类有非常紧密的依赖关系，以至于父类实现中的任何变化必然会导致子类发生变化。当你需要复用子类时，如果继承下来的实现不适合解决新的问题，则父类必须重写它或被其他更适合的类替换，这种依赖关系限制了灵活性并最终限制了复用性。替代继承特性的方式，较多的会采用 合成/聚合复用原则，“合成/聚合复用原则”：尽量使用合成/聚合，尽量不要使用类继承。

    如果在新类型的对象应当携带有关额外行为的细节，在使用继承特性时，有时可能不太适合，例如：处理指类型，密封类，或者接口时。在面对这些要求时，我们有时候会写一些静态类包含一些静态方法。但是过多的静态方法会造成额外的不必要的开销。

一.扩展方法概述：

    面对以上的有关“继承”的问题，以及在面对项目的一些需求时，我们需要解决这些问题的方式就是“扩展方法”。在C#3.0中引入了“扩展方法”，既有静态方法的优点，又使调用它们的代码的可读性得到了提高。在使用扩展方法时，可以像调用实例方法那样调用静态方法。

   1.扩展方法的基本原则：

      (1).C#只支持扩展方法，不支持扩展属性、扩展事件、扩展操作符等。

      (2).扩展方法（第一个参数前面是this的方法）必须在非泛型的静态类中声明，扩展方法必须有一个参数，而且只有第一个参数使用this标记。

      (3).C#编译器查找静态类中的扩展方法时，要求这些静态类本身必须具有文件作用域。

      (4).C#编译要求“导入”扩展方法。（静态方法可以任意命名，C#编译器在寻找方法时，需要花费时间进行查找，需要检查文件作用域中的所有的静态类，并扫描它们的所有静态方法来查找一个匹配）

      (5).多个静态类可以定义相同的扩展方法。

      (6).用一个扩展方法扩展一个类型时，同时也扩展了派生类型。 

   2.扩展方法声明：

     (1).必须在一个非嵌套的、非泛型的静态类中（所以必须是一个静态方法）

     (2).至少有一个参数。

     (3).第一个参数必须附加this关键字做前缀。

     (4).第一个参数不能有其他任何修饰符（如ref或out）。

     (5).第一个参数的类型不能是指针类型。

 以上的两个分类说明中，对扩展方法的基本特性和声明方式做了一个简单的介绍，有关扩展方法的使用方式，会在后面的代码样例中进行展示，再次就不再多做说明。

二.扩展方法原理解析：

    “扩展方法”是C#独有的一种方法，在扩展方法中会使用ExtensionAttribute这个attribute。

    C#一旦使用this关键字标记了某个静态方法的第一个参数，编译器就会在内部向该方法应用一个定制的attribute，这个attribute会在最终生成的文件的元数据中持久性的存储下来，此属性在System.Core dll程序集中。

    任何静态类只要包含了至少一个扩展方法，它的元数据中也会应用这个attribute，任何一个程序集包含了至少一个符合上述特点的静态类，它的元数据也会应用这个attribute。如果代码用了一个不存在的实例方法，编译器会快速的扫描引用的所有程序集，判断它们哪些包含了扩展方法，然后，在这个程序集中，可以扫描包含了扩展方法的静态类。

    如果同一个命名空间中的两个类含有扩展类型相同的方法，就没有办法做到只用其中一个类中的扩展方法。为了通过类型的简单名称（没有命名空间前缀）来使用类型，可以导入该类型所有在的命名空间，但这样做的时候，你没有办法阻止那个命名空间中的扩展方法也被导入进来。

三..NET3.5的扩展方法Enumerable和Queryable：

   在框架中，扩展方法最大的用途就是为LINQ服务，框架提供了辅助的扩展方法，位于System.Linq命名空间下的Enumerable和Queryable类。Enumerable大多数扩展是IEnumerable<T>,Queryable大多数扩展是IQueryable<T>。

   1.Enumerable类中的常用方法：

      (1).Range():一个参数是起始数，一个是要生成的结果数。

public static IEnumerable<int> Range(int start, int count) { 
            long max = ((long)start) + count - 1;
            if (count < 0 || max > Int32.MaxValue) throw Error.ArgumentOutOfRange("count"); 
            return RangeIterator(start, count);
        }

        static IEnumerable<int> RangeIterator(int start, int count) { 
            for (int i = 0; i < count; i++) yield return start + i;
        } 

     (2).Where():对集合进行过滤的一个方式，接受一个谓词，并将其应用于原始集合中的每个元素。

 public static IEnumerable<TSource> Where<TSource>(this IEnumerable<TSource> source, Func<TSource, bool> predicate) {
            if (source == null) throw Error.ArgumentNull("source"); 
            if (predicate == null) throw Error.ArgumentNull("predicate"); 
            if (source is Iterator<TSource>) return ((Iterator<TSource>)source).Where(predicate);
            if (source is TSource[]) return new WhereArrayIterator<TSource>((TSource[])source, predicate); 
            if (source is List<TSource>) return new WhereListIterator<TSource>((List<TSource>)source, predicate);
            return new WhereEnumerableIterator<TSource>(source, predicate);
        }

 public WhereEnumerableIterator(IEnumerable<TSource> source, Func<TSource, bool> predicate) { 
                this.source = source;
                this.predicate = predicate; 
            }

    以上分别介绍了Range()和Where()两个方法，该类中还主要包含select()、orderby()等等方法。

  2.Queryable类中的常用方法：

    (1).IQueryable接口：

 /// <summary>
  /// 提供对未指定数据类型的特定数据源的查询进行计算的功能。
  /// </summary>
  /// <filterpriority>2</filterpriority>
  public interface IQueryable : IEnumerable
  {
    /// <summary>
    /// 获取与 <see cref="T:System.Linq.IQueryable"/> 的实例关联的表达式目录树。
    /// </summary>
    /// 
    /// <returns>
    /// 与 <see cref="T:System.Linq.IQueryable"/> 的此实例关联的 <see cref="T:System.Linq.Expressions.Expression"/>。
    /// </returns>
    Expression Expression { get; }
    /// <summary>
    /// 获取在执行与 <see cref="T:System.Linq.IQueryable"/> 的此实例关联的表达式目录树时返回的元素的类型。
    /// </summary>
    /// 
    /// <returns>
    /// 一个 <see cref="T:System.Type"/>，表示在执行与之关联的表达式目录树时返回的元素的类型。
    /// </returns>
    Type ElementType { get; }
    /// <summary>
    /// 获取与此数据源关联的查询提供程序。
    /// </summary>
    /// 
    /// <returns>
    /// 与此数据源关联的 <see cref="T:System.Linq.IQueryProvider"/>。
    /// </returns>
    IQueryProvider Provider { get; }
  }

   (2).Where():

  public static IQueryable<TSource> Where<TSource>(this IQueryable<TSource> source, Expression<Func<TSource, bool>> predicate) { 
            if (source == null)
                throw Error.ArgumentNull("source"); 
            if (predicate == null)
                throw Error.ArgumentNull("predicate");
            return source.Provider.CreateQuery<TSource>(
                Expression.Call( 
                    null,
                    ((MethodInfo)MethodBase.GetCurrentMethod()).MakeGenericMethod(typeof(TSource)), 
                    new Expression[] { source.Expression, Expression.Quote(predicate) } 
                    ));
        } 

   (3).Select():

 public static IQueryable<TResult> Select<TSource,TResult>(this IQueryable<TSource> source, Expression<Func<TSource, TResult>> selector) {
            if (source == null)
                throw Error.ArgumentNull("source");
            if (selector == null) 
                throw Error.ArgumentNull("selector");
            return source.Provider.CreateQuery<TResult>( 
                Expression.Call( 
                    null,
                    ((MethodInfo)MethodBase.GetCurrentMethod()).MakeGenericMethod(typeof(TSource), typeof(TResult)), 
                    new Expression[] { source.Expression, Expression.Quote(selector) }
                    ));
        }

   以上是对扩展方法中两个类进行了一个简单的解析。

四.扩展方法实例：

      由于扩展方法实际是对一个静态方法的调用，所以CLR不会生成代码对调用方法的表达式的值进行null值检查

   1.异常处理代码：

    /// <summary>
    /// 为参数验证提供有用的方法
    /// </summary>
    public static class ArgumentValidator
    {
        /// <summary>
        /// 如果argumentToValidate为空，则抛出一个ArgumentNullException异常
        /// </summary>
        public static void ThrowIfNull(object argumentToValidate, string argumentName)
        {
            if (null == argumentName)
            {
                throw new ArgumentNullException("argumentName");
            }

            if (null == argumentToValidate)
            {
                throw new ArgumentNullException(argumentName);
            }
        }

        /// <summary>
        /// 如果argumentToValidate为空，则抛出一个ArgumentException异常
        /// </summary>
        public static void ThrowIfNullOrEmpty(string argumentToValidate, string argumentName)
        {
            ThrowIfNull(argumentToValidate, argumentName);

            if (argumentToValidate == string.Empty)
            {
                throw new ArgumentException(argumentName);
            }
        }

        /// <summary>
        /// 如果condition为真，则抛出ArgumentException异常
        /// </summary>
        /// <param name="condition"></param>
        /// <param name="msg"></param>
        public static void ThrowIfTrue(bool condition, string msg)
        {
            ThrowIfNullOrEmpty(msg, "msg");

            if (condition)
            {
                throw new ArgumentException(msg);
            }
        }

        /// <summary>
        /// 如果指定目录存在该文件则抛出FileNotFoundException异常
        /// </summary>
        /// <param name="fileSytemObject"></param>
        /// <param name="argumentName"></param>
        public static void ThrowIfDoesNotExist(FileSystemInfo fileSytemObject, String argumentName)
        {
            ThrowIfNull(fileSytemObject, "fileSytemObject");
            ThrowIfNullOrEmpty(argumentName, "argumentName");

            if (!fileSytemObject.Exists)
            {
                throw new FileNotFoundException("'{0}' not found".Fi(fileSytemObject.FullName));
            }
        }

        public static string Fi(this string format, params object[] args)
        {
            return FormatInvariant(format, args);
        }

        /// <summary>
        /// 格式化字符串和使用<see cref="CultureInfo.InvariantCulture">不变的文化</see>.
        /// </summary>
        /// <remarks>
        /// <para>这应该是用于显示给用户的任何字符串时使用的“B”>“B”>“”。它意味着日志
        ///消息，异常消息，和其他类型的信息，不使其进入用户界面，或不会
        ///无论如何，对用户都有意义；）.</para>
        /// </remarks>
        public static string FormatInvariant(this string format, params object[] args)
        {
            ThrowIfNull(format, "format");

            return 0 == args.Length ? format : string.Format(CultureInfo.InvariantCulture, format, args);
        }

        /// <summary>
        /// 如果时间不为DateTimeKind.Utc，则抛出ArgumentException异常
        /// </summary>
        /// <param name="argumentToValidate"></param>
        /// <param name="argumentName"></param>
        public static void ThrowIfNotUtc(DateTime argumentToValidate, String argumentName)
        {
            ThrowIfNullOrEmpty(argumentName, "argumentName");

            if (argumentToValidate.Kind != DateTimeKind.Utc)
            {
                throw new ArgumentException("You must pass an UTC DateTime value", argumentName);
            }
        }
    }

  2.枚举扩展方法：

 public static class EnumExtensions
    {
        /// <summary>
        /// 获取名字
        /// </summary>
        /// <param name="e"></param>
        /// <returns></returns>
        public static string GetName(this Enum e)
        {
            return Enum.GetName(e.GetType(), e);
        }

        /// <summary>
        /// 获取名字和值
        /// </summary>
        /// <param name="enumType">枚举</param>
        /// <param name="lowerFirstLetter">是否转化为小写</param>
        /// <returns></returns>
        public static Dictionary<string, int> GetNamesAndValues( this Type enumType, bool lowerFirstLetter)
        {
            //由于扩展方法实际是对一个静态方法的调用，所以CLR不会生成代码对调用方法的表达式的值进行null值检查
            ArgumentValidator.ThrowIfNull(enumType, "enumType");
            //获取枚举名称数组
            var names = Enum.GetNames(enumType);
            //获取枚举值数组
            var values = Enum.GetValues(enumType);

            var d = new Dictionary<string, int>(names.Length);

            for (var i = 0; i < names.Length; i++)
            {
                var name = lowerFirstLetter ? names[i].LowerFirstLetter() : names[i];
                d[name] = Convert.ToInt32(values.GetValue(i));
            }

            return d;
        }

        /// <summary>
        /// 转换为小写
        /// </summary>
        /// <param name="s"></param>
        /// <returns></returns>
        public static string LowerFirstLetter(this string s)
        {
            ArgumentValidator.ThrowIfNull(s, "s");

            return char.ToLowerInvariant(s[0]) + s.Substring(1);
        }
    }

五.总结：

    在本文中，主要对扩展方法进行了一些规则说明、声明方式，使用方式，以及对扩展方法的意义和扩展方法的原理进行了简单的解答。并在本文的最后给了一个枚举的扩展方法代码。