谈表达式树的缓存（3）：使用前缀树

阮蓄 · 2025-5-30 01:21:32

在上一篇文章里我们设法将前缀树构造为一个唯一的字符串，然后使用字符串作为key缓存在字典中。这个想法非常直接，做法也不困难（在遍历时记录详细信息便可）。不过事实上，老赵在思考表达式树的缓存问题时，这种字符串拼接的方式只存在于脑海当中，而上文的实现是为了这一系列文章的完整性而特地编写的。这是因为它的缺点较为明显，正如上文所述，字符串拼接操作较为耗时耗资源，且很容易生成一个长度可观的字符串（并非不能优化，不过实现就复杂了）。于是我们现在设法选择另一个解决方案来处理这个问题。
不过现在，我们先来考虑另一个问题：比较两个字符串是否相同（例如实现一个String.Equals方法）。此时，我们往往会分几步进行：

判断字符串长度是否相等，如果不等，则两个字符串肯定不同。
从头遍历两个字符串，如果找到某一位不相同，则两个字符串不相同。
如果完整遍历完整个字符串，则两者相同。

以上算法基本上是我们可以写出的最高效的比较算法。为什么这么说呢？原因主要有以下两点：

我们在比较时，首先使用最容易获得的信息（长度）进行判断，并且在合适的时候（发现某一位不同）及时返回，节省了时间。
比较时不需要保存完整信息（比较字符串的第n位时，从0到n-1位字符无需保留），这样在空间上也节省了下来。

那么我们来思考一下，为什么前一篇文章中谈到的字符串会性能差呢？其实他正是由于违反了上面的“特点”：

需要对整个树进行完整编码，这样无法通过部分编码上排除各种状况，时间上耗费较大。
必须保留完整路径，造成字符串很长，导致空间上耗费也大。

与字符串比较略有不同，既然我们最终是要匹配完全相同的表达式树，那么一次完整的树遍历是不可避免的，因此第一点可能很难有所改变。那么第二点呢？我们是否可以在进行匹配时，不用保存之前已经遍历的节点，遍历到某个“冲突”则表明匹配失败，而经过一个完整遍历，则表明匹配成功。为了进一步看清需求，我们再说的清楚一点：

对一颗表达式树进行完整遍历，可以看作是构造一个由各节点（或节点的“特性”）构成的序列。
在遍历序列时，无需保存之前遍历的结果。遍历结束时，则表示匹配成功。

“序列”、“遍历”、“匹配”……在心中反复默念几遍，您是否想到了些什么？没错，上述需求似乎符合我们常用的数据结构：前缀树。

前缀树可用于查询一个集合中是否包含某个特定序列。上图（引自Wikipedia）表明了前缀树的查询方式。例如我们要查询序列“ted”，则会从根节点开始，顺着“t”、“e”、“d”依次遍历到叶结点。如果序列没有遍历完就已经到了叶结点，则说明集合中没有该序列。前缀树至少有以下两个好处：

查询性能与集合中元素的数量n无关，对于查找一个长度为m的序列，其时间复杂度总是O(m)，而对于二叉搜索树（Binary Search Tree）来说，其时间复杂度可能退化至O(m * log(n))。
只需对序列遍历一遍即可得到结果，且其中无需保存之前遍历的结果

有了思路之后，实现并不是什么大问题。如果要简单地构造一颗前缀树，最常用的方式便是让前缀树的每个节点包含一个哈希表，而每一次查找（Lookup）其实就是一次哈希表的查询操作。以下是PrefixTreeVisitor（也是另一个ExpressionVisitor的子类）中构造的预备代码：

public class PrefixTreeVisitor : ExpressionVisitor
{
private Hashtable m_storage;
public Hashtable CurrentStorage { get; private set; }
public bool StopLookingUpWhenMissed { get; private set; }
public PrefixTreeVisitor(Hashtable storage, bool stopLookingUpWhenMissed)
{
this.m_storage = storage;
this.StopLookingUpWhenMissed = stopLookingUpWhenMissed;
}
public Hashtable Accept(Expression exp)
{
this.CurrentStorage = this.m_storage;
this.Visit(exp);
return this.CurrentStorage;
}
}

复制代码

PrefixTreeVisitor的构造函数会接受两个参数：一个作为前缀树根节点的Hashtable，以及一个标识“是否在命中失败的时候停止”。如果第二个参数为true，则对于前缀树的构造将在某次查找命中失败时中止，显然它可用于对前缀树的“查询”；如果第二个参数为false，那么在查找命失败后扩展前缀树，也就是创建新的节点（Hashtable），并建立与“父节点”的关系。这段逻辑可以从关键性的LookUp方法中得到体现：

private static readonly object s_nullKey = new object();
/// <summary>
///
/// </summary>
/// <param name="key"></param>
/// <returns>Stop or not</returns>
protected virtual bool LookUp(object key)
{
if (this.CurrentStorage == null) return true;
key = key ?? s_nullKey;
Hashtable next = this.CurrentStorage[key] as Hashtable;
if (next == null && !this.StopLookingUpWhenMissed)
{
next = new Hashtable();
this.CurrentStorage[key] = next;
}
this.CurrentStorage = next;
return next == null;
}

复制代码

LookUp方法的返回值表示该次查询是否跳出。从代码中可以看出，只有当StopLookingUpWhenMissed为true时LookUp方法才会可能返回false，因为在StopLookingUpWhenMissed为false时，LookUp方法会不断地“拓展”前缀树，永远不会中止。至于在PrefixTreeVisitor的Visit等重载方法中，便是构造合适的的节点（在这里一般使用匿名类型），作为正在遍历的序列中的某个元素，并交给LookUp方法进行“深入”。如果LookUp方法返回false，则立即返回，因为前缀树已经“探底”，可以“反弹”了：

protected override Expression Visit(Expression exp)
{
if (exp == null) return exp;
var key = new
{
NodeType = exp.NodeType,
Type = exp.Type
};
if (this.LookUp(key)) return exp;
return base.Visit(exp);
}
protected override Expression VisitBinary(BinaryExpression b)
{
var key = new
{
IsLifted = b.IsLifted,
IsLiftedToNull = b.IsLiftedToNull,
Method = b.Method
};
if (this.LookUp(key)) return b;
return base.VisitBinary(b);
}
protected override Expression VisitConstant(ConstantExpression c)
{
if (this.LookUp(c.Value)) return c;
return base.VisitConstant(c);
}
protected override Expression VisitMemberAccess(MemberExpression m)
{
if (this.LookUp(m.Member)) return m;
return base.VisitMemberAccess(m);
}
protected override Expression VisitMethodCall(MethodCallExpression m)
{
if (this.LookUp(m.Method)) return m;
return base.VisitMethodCall(m);
}
...

复制代码

再编写PrefixTreeCache之前，我们可能还需要准备它的读取与写入功能。这两个操作其实都是对PrefixTreeVisitor的简单封装：

public class PrefixTreeCache<T> : IExpressionCache<T> where T : class
{
private Hashtable m_storage = new Hashtable();
private T Get(Expression key)
{
var visitor = new PrefixTreeVisitor(this.m_storage, true);
var storage = visitor.Accept(key);
return storage == null ? null : (T)storage[typeof(T)];
}
private void Set(Expression key, T value)
{
var visitor = new PrefixTreeVisitor(this.m_storage, false);
var storage = visitor.Accept(key);
storage[typeof(T)] = value;
}
}

复制代码

现在编写IExpressionCache.Get方法已如探囊取物：

private ReaderWriterLockSlim m_rwLock = new ReaderWriterLockSlim();
public T Get(Expression key, Func<Expression, T> creator)
{
T value;
this.m_rwLock.EnterReadLock();
try
{
value = this.Get(key);
if (value != null) return value;
}
finally
{
this.m_rwLock.ExitReadLock();
}
this.m_rwLock.EnterWriteLock();
try
{
value = this.Get(key);
if (value != null) return value;
value = creator(key);
this.Set(key, value);
return value;
}
finally
{
this.m_rwLock.ExitWriteLock();
}
}

复制代码

使用前缀树缓存方式，在已有n个对象的缓存容器中查询带有m个节点的表达式树，其时间复杂度正如之前所谈到那样为O(m)——与n无关。这个解决方案的缺点在于构造了大量的Hashtable，可能会导致整个前缀树处于一种非常稀疏的状态，这点可以通过自定义查找方式来替换直接使用Hashtable类进行优化。这属于纯粹的进一步实践，感兴趣的朋友可以自己尝试一下。

完整代码下载：http://code.msdn.microsoft.com/ExpressionCache
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谈表达式树的缓存（1）：引言
谈表达式树的缓存（2）：由表达式树生成字符串
谈表达式树的缓存（4）：使用二叉搜索树（AVL树）
谈表达式树的缓存（5）：引入散列值
谈表达式树的缓存（6）：五种缓存方式的性能比较
谈表达式树的缓存（7）：五种缓存方式的总体分析及改进方案

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