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用代码写代码：使用Roslyn API构建语法树并应用于源生成器

揭荸 前天 19:27
在上文构建源生成器的过程中，我们使用字符串直接插入代码。这样做固然方便快捷，但字符串需要手动格式化，且无法检测拼写错误，这对需要生成复杂结构的源生成器项目很不友好。
本文将介绍生成代码的另一种方式：使用Roslyn API构建语法树。
什么是语法树 (Syntax Tree)？

语法树是编译器用于理解C#程序的数据结构。Roslyn在解析C#代码后就会生成一棵语法树，以供后续的进一步分析和编译。
一棵语法树由Node(节点)、Token(标记)、Trivia(额外信息)构成。

  • SyntaxNode：声明、语句、子句和表达式等语法构造
    如一个类的声明会被解析成一个ClassDeclaration
  • SyntaxToken：独立的关键字、标识符、运算符或标点
    如一个左括号(会被解析为OpenParenToken
  • SyntaxTrivia：不重要的信息，例如标记、预处理指令和注释之间的空格
    如一行注释会被解析为SingleLineCommentTrivia
例如，有如下代码：
  1. using System;
  2. namespace App
  3. {
  4.     internal class Program
  5.     {
  6.         static void Main(string[] args)
  7.         {
  8.             Console.WriteLine("Hello, World!");
  9.         }
  10.     }
  11. }
复制代码
Roslyn会将这段代码解析为如下结构(此处仅保留SyntaxNode)：
  1. CompilationUnitSyntax
  2. ├── UsingDirectiveSyntax (using System;)
  3. └── NamespaceDeclarationSyntax (namespace ConsoleApp1)
  4.       └── ClassDeclarationSyntax (internal class Program)
  5.            └── MethodDeclarationSyntax (static void Main(string[] args))
  6.                 └── BlockSyntax
  7.                      └── ExpressionStatementSyntax (Console.WriteLine("Hello, World!");)
  8.                           └── InvocationExpressionSyntax
  9.                                ├── SimpleMemberAccessExpressionSyntax (Console.WriteLine)
  10.                                │    ├── IdentifierNameSyntax (Console)
  11.                                │    └── IdentifierNameSyntax (WriteLine)
  12.                                └── ArgumentListSyntax
  13.                                     └── ArgumentSyntax
  14.                                          └── LiteralExpressionSyntax ("Hello, World!")
复制代码
我们还可以安装语法树可视化工具(VS Installer>找到对应版本>修改>单个组件>DGML 编辑器)
安装完成后，搜索"Syntax Visualizer "即可
具体可查看使用 Visual Studio 中的 Roslyn 语法可视化工具浏览代码
既然Roslyn需要将代码解析成语法树，那么我们是否可以自行构建一个语法树并"反向"输出C#代码呢？
答案是：可以！
构建语法树

在开始之前，我们需要引入Microsoft.CodeAnalysis.CSharp包
若我们需要编写的代码如下：
  1. using System;
  2. namespace ConsoleApp1;
  4. public class HelloWorld
  5. {
  6.     public static void SayHello()
  7.     {
  8.         Console.WriteLine("Hello, World!");
  9.     }
  10. }
复制代码
创建一个CompilationUnit并添加using语句：
  1. using Microsoft.CodeAnalysis.CSharp;
  2. using Microsoft.CodeAnalysis.CSharp.Syntax;
  3. using static Microsoft.CodeAnalysis.CSharp.SyntaxFactory;
  5. var complicationUnit = CompilationUnit()
  6.     .AddUsings(
  7.         UsingDirective(
  8.             IdentifierName("System")));
复制代码
添加命名空间：
  1. AddMembers(
  2.     FileScopedNamespaceDeclaration(
  3.         IdentifierName("ConsoleApp1")));
复制代码
添加HelloWorld类：
  1. AddMembers(
  2.     ClassDeclaration("HelloWorld")
  3.     .AddModifiers(
  4.         Token(SyntaxKind.PublicKeyword))
  5.     .AddMembers(/*这里编写SayHello方法*/));
复制代码
编写SayHello方法：
  1. MethodDeclaration(
  2.         PredefinedType(
  3.             Token(SyntaxKind.VoidKeyword)),
  4.         Identifier("SayHello"))
  5.     .WithModifiers(
  6.         TokenList(
  7.             Token(SyntaxKind.PublicKeyword),
  8.             Token(SyntaxKind.StaticKeyword)))
  9.     .WithBody(
  10.         Block(
  11.             ExpressionStatement(
  12.                 InvocationExpression(
  13.                         MemberAccessExpression(
  14.                             SyntaxKind.SimpleAssignmentExpression,
  15.                             IdentifierName("Console"),
  16.                             IdentifierName("WriteLine")))
  17.                     .WithArgumentList(
  18.                         ArgumentList(
  19.                             SingletonSeparatedList(
  20.                                 Argument(
  21.                                     LiteralExpression(
  22.                                         SyntaxKind.StringLiteralExpression,
  23.                                         Literal("Hello World")))))))))
复制代码
构建语法树：
  1. var syntaxTree = SyntaxTree(complicationUnit);
复制代码
全部代码：
  1. using Microsoft.CodeAnalysis.CSharp;
  2. using Microsoft.CodeAnalysis.CSharp.Syntax;
  3. using static Microsoft.CodeAnalysis.CSharp.SyntaxFactory;
  5. var complicationUnit = CompilationUnit()
  6.     .AddUsings(
  7.         UsingDirective(
  8.             IdentifierName("System")))
  9.     .AddMembers(
  10.         FileScopedNamespaceDeclaration(
  11.             IdentifierName("ConsoleApp1")))
  12.     .AddMembers(
  13.         ClassDeclaration("HelloWorld")
  14.             .AddModifiers(
  15.                 Token(SyntaxKind.PublicKeyword))
  16.             .AddMembers(
  17.                 MethodDeclaration(
  18.                         PredefinedType(
  19.                             Token(SyntaxKind.VoidKeyword)),
  20.                         Identifier("SayHello"))
  21.                     .WithModifiers(
  22.                         TokenList(
  23.                             Token(SyntaxKind.PublicKeyword),
  24.                             Token(SyntaxKind.StaticKeyword)))
  25.                     .WithBody(
  26.                         Block(
  27.                             ExpressionStatement(
  28.                                 InvocationExpression(
  29.                                         MemberAccessExpression(
  30.                                             SyntaxKind.SimpleMemberAccessExpression,
  31.                                             IdentifierName("Console"),
  32.                                             IdentifierName("WriteLine")))
  33.                                     .WithArgumentList(
  34.                                         ArgumentList(
  35.                                             SingletonSeparatedList(
  36.                                                 Argument(
  37.                                                     LiteralExpression(
  38.                                                         SyntaxKind.StringLiteralExpression,
  39.                                                         Literal("Hello World")))))))))));
  40. var syntaxTree = SyntaxTree(complicationUnit);
复制代码
使用Roslyn Quoter工具可以将代码直接转化为上文的形式（会比上文写的更长），可作为一些参考
将语法树转换为C#代码

对syntaxTree调用GetText()后调用ToString()即可得字符串
  1. var code = syntaxTree.GetText().ToString();
  2. //使用异步重载
  3. //var code = (await syntaxTree.GetTextAsync()).ToString();
复制代码
或创建一个StreamWriter，将complicationUnit写入即可
  1. await using var streamWriter = new StreamWriter("output.txt");
  2. complicationUnit.WriteTo(streamWriter);
复制代码
打开输出，我们发现这些代码并没有被格式化——我们需要添加必要的Trivia
  1. usingSystem;namespaceConsoleApp1;publicclassHelloWorld{publicstaticvoidSayHello(){Console.WriteLine("Hello World");}}
复制代码
我们可以在需要空格或换行的代码后调用WithLeadingTrivia()方法手动添加，但这样会显得代码异常冗长且可读性不佳
更好的方法是给complicationUnit调用NormalizeWhitespace()方法自动添加所需的Trivia
  1. complicationUnit = complicationUnit.NormalizeWhitespace();
  2. var syntaxTree = SyntaxTree(complicationUnit);
  3. var code = (await syntaxTree.GetTextAsync()).ToString();
复制代码
在源生成器中的应用

在构建SyntaxTree时，手动指定编码形式为UTF8，即可将语法树转换后的代码供源生成器使用
  1. context.RegisterPostInitializationOutput(ctx =>
  2.     ctx.AddSource("HelloWorldSyntaxTree.g.cs",SyntaxTree(complicationUnit, encoding:Encoding.UTF8).GetText()));
复制代码
源代码

在源生成器中的应用
https://github.com/zxbmmmmmmmmm/SourceGeneratorDemo/blob/master/SourceGeneratorDemo.Generator/SyntaxTreeGenerator.cs
引用

使用代码编写代码 ——Roslyn API 入门
使用 Visual Studio 中的 Roslyn 语法可视化工具浏览代码
Roslyn Quoter

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