面试题：C#表达式树与性能优化及元编程

设计思路

表达式树构建：读取外部配置文件，解析其中的运算组合信息，按照运算符和操作数构建表达式树。每个节点代表一个运算或操作数，通过树结构来表示复杂的运算逻辑。
动态构建运算逻辑：由于配置是动态变化的，在每次读取配置文件后，重新构建表达式树。可以采用递归的方式遍历配置信息，创建相应的节点并连接成树。
元编程优化：利用元编程在编译期对表达式树进行分析和优化。例如，通过模板元编程可以在编译期进行常量折叠、消除冗余计算等操作，减少运行时的计算量。

关键代码片段

表达式树节点定义

template <typename T>
struct ExprNode {
    virtual T evaluate() const = 0;
    virtual ~ExprNode() = default;
};

template <typename T>
struct OperandNode : public ExprNode<T> {
    T value;
    OperandNode(T v) : value(v) {}
    T evaluate() const override { return value; }
};

template <typename T, typename BinaryOp>
struct BinaryOpNode : public ExprNode<T> {
    std::unique_ptr<ExprNode<T>> left;
    std::unique_ptr<ExprNode<T>> right;
    BinaryOpNode(std::unique_ptr<ExprNode<T>> l, std::unique_ptr<ExprNode<T>> r) : left(std::move(l)), right(std::move(r)) {}
    T evaluate() const override {
        return BinaryOp()(left->evaluate(), right->evaluate());
    }
};

构建表达式树

std::unique_ptr<ExprNode<double>> buildExpressionTree(const Json::Value& config) {
    if (config.isDouble()) {
        return std::make_unique<OperandNode<double>>(config.asDouble());
    } else if (config.isObject()) {
        auto left = buildExpressionTree(config["left"]);
        auto right = buildExpressionTree(config["right"]);
        if (config["op"] == "+") {
            return std::make_unique<BinaryOpNode<double, std::plus<double>>>(std::move(left), std::move(right));
        } else if (config["op"] == "-") {
            return std::make_unique<BinaryOpNode<double, std::minus<double>>>(std::move(left), std::move(right));
        }
    }
    return nullptr;
}

元编程优化（以常量折叠为例）

template <typename T, typename BinaryOp, T L, T R>
struct ConstantFold {
    static constexpr T value = BinaryOp()(L, R);
};

template <typename T, typename BinaryOp>
struct ConstantFold<T, BinaryOp, std::numeric_limits<T>::quiet_NaN(), std::numeric_limits<T>::quiet_NaN()> {
    static T value;
};

性能优化原理

表达式树：通过将复杂运算组合表示为树结构，在执行运算时可以按照树的遍历方式，有条不紊地进行计算，减少不必要的中间变量和计算步骤，提高计算效率。动态构建表达式树可以灵活适应配置的变化，而不需要重新编译代码。
元编程：在编译期进行常量折叠等优化操作，将一些在编译期就能确定结果的计算提前完成，避免在运行时重复计算。例如，对于表达式 3 + 5，在编译期通过常量折叠优化，直接替换为 8，减少了运行时的加法运算，从而提升整体性能。

面试题：C#表达式树与性能优化及元编程

知识考点

面试题答案

设计思路

关键代码片段

性能优化原理