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C# 中参数验证方式的演变

由 笑着哭i 提交于 2019-12-24 12:02:31

一般在写方法的时候，第一步就是进行参数验证，这也体现了编码者的细心和缜密，但是在很多时候这个过程很枯燥和乏味，比如在拿到一个API设计文档的时候，通常会规定类型参数是否允许为空，如果是字符可能有长度限制，如果是整数可能需要判断范围，如果是一些特殊的类型比如电话号码，邮件地址等，可能需要使用正则表达式进行判断。

通常，我们一般都是在方法开始的地方进行条件判断，然后抛出合适的异常，这是最普通和通用的做法，但是在.NET中，利用一些语言特性和类库，可以使用一些其他的方式将我们从复杂繁琐的工作中解放出来。本文逐一介绍能够用来进行参数验证的方式，他们包括直接判断语句，帮助类，扩展方法，Customer Attribute，Enterprise Liberary，Debug.Assert，Code Contract等。可以看到在.NET中随着版本的演化，逐步添加了很多声明式编程(Declarative programming)的风格，这样的代码会直接表明what而不是how，从而使得代码更加清晰和易维护。

现在来看下这些参数验证的方法。

一 一般的方法

假设我们有一个方法如下，用来进行登记注册，需要传入姓名和年龄。

public bool Register(string name, int age)
{
    //insert into db
}

当然，不是传进什么东西都能调用我们的方法。一般地，我们首先要做的是，对参数进行合法性验证，比如如果要参加上海国际马拉松比赛，需要年龄大于10岁小于70岁。一般的验证方法如下：

public bool Register(string name, int age)
{
    if (string.IsNullOrEmpty(name))
    {
        throw new ArgumentException("name should not be empty", "name");
    }
    if (age < 10 || age > 70)
    {
        throw new ArgumentException("the age must between 10 and 70","age");
    }
    //insert into db
}

我们会发现，如果每一个方法都这样判断的话，非常麻烦和繁琐。于是就想到把他提取到一个帮助方法中。

public static class ArgumentHelper
{
    public static void RequireRange(int value, int minValue, int maxValue, string argumentName)
    {
        if (value > maxValue || value < minValue)
        {
            throw new ArgumentException(string.Format("The value must be between {0} and {1}", minValue, maxValue),
                argumentName);
        }
    }

    public static void RequireNotNullOrEmpty(string value, string argumentName)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(value))
        {
            throw new ArgumentException("The value can't be null or empty", argumentName);
        }
    }
}

这样，在所有需要进行区间验证和非空验证的地方，调用这个帮助类中的方法即可。

public bool Register(string name, int age)
{
    ArgumentHelper.RequireNotNullOrEmpty(name,"name");
    ArgumentHelper.RequireRange(age,10,70,"age");   
    //insert into db
}

在C#3.0 中，引入了扩展方法，因此可以以一种更优雅的方式来进行参数验证，我们将前面的帮助方法改写如下:

public static class ArgumentHelper
{
    public static void RequireRange(this int value, int minValue, int maxValue, string argumentName)
    {
        if (value > maxValue || value < minValue)
        {
            throw new ArgumentException(string.Format("The value must be between {0} and {1}", minValue, maxValue),
                argumentName);
        }
    }

    public static void RequireNotNullOrEmpty(this string value, string argumentName)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(value))
        {
            throw new ArgumentException("The value can't be null or empty", argumentName);
        }
    }
}

这样，我们的验证变成了如下：

public bool Register(string name, int age)
{
   name.RequireNotNullOrEmpty("name");
   age.RequireRange(10,70,"age");
    //insert into db
}

有了扩展方法，就可以写出很多类似LINQ的比较流畅的验证语句来。一些类似的验证类库也提供了类似功能。如FluentValidation，CuttingEdge.Conditions等。比如这里取自CuttingEdge.Condition 里面的例子。

public ICollection GetData(Nullable<int> id, string xml, IEnumerable<int> col)
{
    // Check all preconditions:
    Condition.Requires(id, "id")
        .IsNotNull()          // throws ArgumentNullException on failure
        .IsInRange(1, 999)    // ArgumentOutOfRangeException on failure
        .IsNotEqualTo(128);   // throws ArgumentException on failure

    Condition.Requires(xml, "xml")
        .StartsWith("<data>") // throws ArgumentException on failure
        .EndsWith("</data>") // throws ArgumentException on failure
        .Evaluate(xml.Contains("abc") || xml.Contains("cba")); // arg ex

    Condition.Requires(col, "col")
        .IsNotNull()          // throws ArgumentNullException on failure
        .IsEmpty()            // throws ArgumentException on failure
        .Evaluate(c => c.Contains(id.Value) || c.Contains(0)); // arg ex

    // Do some work

    // Example: Call a method that should not return null
    object result = BuildResults(xml, col);

    // Check all postconditions:
    Condition.Ensures(result, "result")
        .IsOfType(typeof(ICollection)); // throws PostconditionException on failure

    return (ICollection)result;
}

利用扩展方法也可以写出如下图中这种比较搞笑的语句。

Who write like this

二 使用类库或者框架

除了自己写方法之外，一些类库和框架也提供了参数验证的模块。

Enterprise Liberary

微软企业库（Enterprise Liberary）中提供了一个名为Validation Application Block的组件，专门用来验证。安装之后，运行EntLibConfig.exe 就可以使用界面的方式来添加验证

还是以前面的代码为例子。我们将name和age封装为一个名为Person的类的字段，然后使用企业库来进行验证。允许EntLibConfig.exe，加载我们编译好的dll或者exe，然后选择需要验证的字段或者方法，然后添加合适的验证规则，如下图：

Validation with Enterprise Liberary

完成之后，保存为app.config文件，该文件内容如下：

<configuration>
    <configSections>
        <section name="validation" type="Microsoft.Practices.EnterpriseLibrary.Validation.Configuration.ValidationSettings, Microsoft.Practices.EnterpriseLibrary.Validation, Version=5.0.414.0, Culture=neutral, PublicKeyToken=31bf3856ad364e35" requirePermission="true" />
    </configSections>
    <validation>
        <type name="ValidationConsole.Program+Person" defaultRuleset="Validation Ruleset"
            assemblyName="ValidationConsole, Version=1.0.0.0, Culture=neutral, PublicKeyToken=null">
            <ruleset name="Validation Ruleset">
                <properties>
                    <property name="Name">
                        <validator type="Microsoft.Practices.EnterpriseLibrary.Validation.Validators.NotNullValidator, Microsoft.Practices.EnterpriseLibrary.Validation, Version=5.0.414.0, Culture=neutral, PublicKeyToken=31bf3856ad364e35"
                            messageTemplate="姓名不能为空" name="Not Null Validator" />
                    </property>
                    <property name="Age">
                        <validator type="Microsoft.Practices.EnterpriseLibrary.Validation.Validators.RangeValidator, Microsoft.Practices.EnterpriseLibrary.Validation, Version=5.0.414.0, Culture=neutral, PublicKeyToken=31bf3856ad364e35"
                            culture="zh-CN" lowerBound="10" lowerBoundType="Exclusive"
                            upperBound="70" messageTemplate="Age should between&#xD;&#xA;10 and 70&#xD;&#xA;"
                            name="Range Validator" />
                    </property>
                </properties>
            </ruleset>
        </type>
    </validation>
</configuration>

可以看到企业库实际上是生成一个app.config文件，然后在文件中写入了参数的验证条件，然后在运行的时候引用企业库的相关dll进行验证。参数验证是可以配置的，具体的使用方法如下：

public class Person
{
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }

    public Person(string name, int age)
    {
        this.Name = name;
        this.Age = age;
    }
}
static void Main(string[] args)
{
    Validator<Person> customerValidator = ValidationFactory.CreateValidator<Person>("Validation Ruleset");
    Person myCustomer = new Person("admin",9);

    ValidationResults validateResult = customerValidator.Validate(myCustomer);

    if (!validateResult.IsValid)
    {
        for (int i = 0; i < validateResult.Count; i++)
        {
            Console.WriteLine("验证出错 {0}:" + validateResult.ElementAt(i).Message, i + 1);
        }
    }
    else
    {
        Console.WriteLine("正确");
    }
    Console.ReadKey();
}

运行结果如下：

Validate using enterprise liberary

ASP.NET MVC

还可以利用自定义属性(Customer Attribute)来进行参数验证，ASP.NET MVC 的Model中就是使用数据标记(Data Annotations)这种属性来进行验证。Data Annotations其实是一系列继承自Attribute的可以用在类或者类的属性上的自定义属性类。

System.ComponentModel.DataAnnotations 程序集中内建有一些诸如 Required, Range, RegularExpression and StringLength的类， 这些自定义属性类都继承自ValidationAttribute抽象类：

public abstract class ValidationAttribute : Attribute
{
    public string ErrorMessage { get; set; }

    public virtual bool IsValid(object value);

    protected virtual ValidationResult IsValid(object value, ValidationContext
    validationContext);

    // other members
}

如果在ASP.NET MVC 中，我们的Person Model就可以写成如下：

public class Person
{
    [Required]
    public string Name { get; set; }
    [Range(10, 70)]
    public int Age { get; set; }
}

很简洁，在编写实体类的时候，就可以顺便把验证规则给定了。这样，我们在实例化Person类，然后调用框架中相应的方法，如果不满足条件，就会抛出相应的异常。

PostSharp

一些商业软件，更是将利用属性进行验证做到了极致，比如PostSharp这款商业软件。下面是该网站的宣传页：

 postsharp

可以看到，在方法的参数中，可以在前面使用自定义属性来标记，然后在系统运行的时候进行动态的验证。

PostSharp使用的是一种所谓静态注入的方式，也就是在编译好的程序集中的类型或者某个方法里注入IL代码，是在代码编译的时候，而不是在运行时注入的。Visual Studio通过MSBuild来执行生成过程，PostSharp是把自己作为一系列的Build Task来插入到代码生成过程中来的。其原理可以参看 .NET下的AOP： PostSharp 原理分析 这篇文章。这里引用了文中的一幅图，很形象的说明了PostSharp的原理：

Post

自己动手

其实使用属性来进行验证很简单，我们也可以自己动手来实现类似PostSharp的功能，当然，在使用Customer Attribute之前，首先您需要了解Attribute这个类， 中文的话，您可以参考CSDN上的Attribute在.net编程中的应用这一些列6篇文章。下面就介绍如何实现PostSharp中的使用自定义属性对参数进行标记验证。其实您看过ASP.NET MVC 中的System.ComponentModel.DataAnnotations应该就可以知道该怎么实现了。

首先，新建一个ArgumentValidationAttribute抽象类。因为按照约定，所有继承自Attribute的类名称后面必须带有Attribute。这个类中只有一个抽象方法Validate，用来验证。

public abstract  class ArgumentValidationAttribute:Attribute
{
    public abstract void Validate(object value, string argumentName);
}

然后，我们定义一个用来验证非空的自定义属性NotNullAttribute，注意到在该类上，我们使用了AttributeUsage属性，在其构造函数参数中，我们传入了 AttributeTargets.Parameter 这个枚举，表明该标记只能用在方法的参数上。

[AttributeUsage(AttributeTargets.Parameter)]
public class NotNullAttribute : ArgumentValidationAttribute
{  
    public override void Validate(object value, string argumentName)
    {
        if (value == null)
            throw  new ArgumentNullException(argumentName);
    }
}

然后定义了一个用来验证范围的InRangeAttribute，这里我们定义了一个构造函数，使得可以传入一个区间范围。

[AttributeUsage(AttributeTargets.Parameter)]
public class InRangeAttribute : ArgumentValidationAttribute
{
    private int min;
    private int max;

    public InRangeAttribute(int min, int max)
    {
        this.min = min;
        this.max = max;
    }

    public override void Validate(object value, string argumentName)
    {
        int intValue = (int)value;
        if (intValue < min || intValue > max)
        {
            throw new ArgumentOutOfRangeException(argumentName,string.Format("min={0},max={1}",min,max));
        }
    }
}

有了上面两个类，我们还需要在一个大的框架类验证调用这些验证方法，通常，我们会使用诸如接口注入的方式来实现。这里仅列出关键部分。

public class ValidationInterceptor : IInterceptor
{
    public void Intercept(IInvocation invocation)
    {
        ParameterInfo[] parameters = invocation.Method.GetParameters();
        for (int index = 0; index < parameters.Length; index++)
        {
            var paramInfo = parameters[index];
            var attributes = paramInfo.GetCustomAttributes(typeof(ArgumentValidationAttribute), false);

            if (attributes.Length == 0)
                continue;

            foreach (ArgumentValidationAttribute attr in attributes)
            {
                attr.Validate(invocation.Arguments[index], paramInfo.Name);
            }
        }

        invocation.Proceed();
    }
}

然后，再回头看我们的代码，我们首先抽象一个IRegister接口：

public interface IRegister
{
    void Register([NotNull] string name, [InRange(10, 70)] int age);
}

可以看到，现在接口中的方法，参数前面已经可以写我们之前定义的用于验证功能的属性了，接口方法中定义了参数的验证规则之后，所有实现该接口的方法中就不需要再次定义了。我们的注册类只需要实现该接口，然后再执行Register之前，统一验证即可。

public class ShMarathon : IRegister
{

    public void Register(string name, int age)
    {
        //doesn't need to validate
        //insert into db
    }
}

这种方式其实是AOP(面向方面编程)的一种思想，更多的资料您可以参考AOP in .NET: Practical Aspect-Oriented Programming和Dependency Injection in .NET

三 Code Contract

Code Contracts 是微软研究院开发的一个编程类库，我最早看到是在C# In Depth 的第二版中，当时.NET 4.0还没有出来，当时是作为一个第三方类库存在的，到了.NET 4.0之后，已经加入到了.NET BCL中，该类存在于System.Diagnostics.Contracts 这个命名空间中。

namespace System.Diagnostics.Contracts
{
    // Summary:
    //     Contains static methods for representing program contracts such as preconditions,
    //     postconditions, and object invariants.
    public static class Contract
    {
        public static event EventHandler<ContractFailedEventArgs> ContractFailed;
        public static void Assert(bool condition);
        public static void Assert(bool condition, string userMessage);
        public static void Assume(bool condition);
        public static void Assume(bool condition, string userMessage);
        public static void EndContractBlock();
        public static void Ensures(bool condition);
        public static void Ensures(bool condition, string userMessage);
        public static void EnsuresOnThrow<TException>(bool condition) where TException : Exception;
        public static void EnsuresOnThrow<TException>(bool condition, string userMessage) where TException : Exception;
        public static bool Exists<T>(IEnumerable<T> collection, Predicate<T> predicate);
        public static bool Exists(int fromInclusive, int toExclusive, Predicate<int> predicate);
        public static bool ForAll<T>(IEnumerable<T> collection, Predicate<T> predicate);
        public static bool ForAll(int fromInclusive, int toExclusive, Predicate<int> predicate);
        public static void Invariant(bool condition);
        public static void Invariant(bool condition, string userMessage);
        public static T OldValue<T>(T value);
        public static void Requires<TException>(bool condition) where TException : Exception;
        public static void Requires(bool condition);
        public static void Requires(bool condition, string userMessage);
        public static void Requires<TException>(bool condition, string userMessage) where TException : Exception;
        public static T Result<T>();
        public static T ValueAtReturn<T>(out T value);
    }
}

Code Contract 使得.NET 中契约式设计和编程变得更加容易，Contract中的这些静态方法方法包括

  1. Requires：函数入口处必须满足的条件
  2. Ensures：函数出口处必须满足的条件
  3. Invariants：所有成员函数出口处都必须满足的条件
  4. Assertions：在某一点必须满足的条件
  5. Assumptions：在某一点必然满足的条件，用来减少不必要的警告信息

Code Contract 的使用文档您可以从官网下载到。为了方便使用Visual Studio开发。我们可以安装一个Code Contracts Editor Extensions插件。安装完了之后，点击Visual Studio中的项目属性，可以看到如下丰富的选择项：

code contract for visual studio

现在，在我们的Register方法中，可以使用Contract来进行判断，使用方式和Debug.Assert类似：

public static bool Register(string name, int age)
{
    Contract.Requires(!String.IsNullOrEmpty(name));
    Contract.Requires(age > 10 && age < 70);
    //insert into db
    return false;
}

当我们传入错误的age值的时候，就会报错：

PreconditonFailed

Contract和Debug.Assert有些地方相似：

  1. 都提供了运行时支持：这些Contracts都是可以被运行的，并且一旦条件不被满足，会弹出类似Assert的一样的对话框报错，如下：
  2. 都可以在随意的在代码中关闭打开。

但是Contract有更多和更强大的功能：

  1. Contracts的意图更加清晰，通过不同的Requires/Ensures等等调用，代表不同类型的条件，比单纯的Assert更容易理解和进行自动分析
  2. Contracts的位置更加统一，将3种不同条件都放在代码的开始处，而非散见在函数的开头和结尾，便于查找和分析。
  3. 不同的开发人员、不同的小组、不同的公司、不同的库可能都会有自己的Assert，这就大大增加了自动分析的难度，也不利于开发人员编写代码。而Contracts直接被.NET 4.0支持，是统一的。
  4. 它提供了静态分析支持，这个我们可以通过配置面板看到，通过静态分析Contracts，静态分析工具可以比较容易掌握函数的各种有关信息，甚至可以作为Intellisense

Contract中包含了三个工具:

  • ccrewrite, 通过向程序集中些如二进制数据，来支持运行时检测
  • cccheck, 运行时检测
  • ccdoc, 将Contract自动生成XML文档

下图是Contract的原理，图片来自 .NET 4.0中的新功能介绍：契约式设计 (Design By Contracts) 这篇文章， 这也是为什么要比Debug.Assert强大的原因，我们只需要将所有的执行前判断和执行后判断的条件，写到一个地方，然后再编译代码的时候，ccrewrite 会帮我们生成相应的代码，保存起始值，并将相应的代码插入到方法的合适位置。使得我们的代码更加整洁和容易维护。

Code Contract

四 总结

本文简单介绍了在.NET 中用来进行方法参数验证的各种方式，包括传统的在方法执行前编写判断语句，提取到公共帮助类中，使用扩展方法，以及一些类库如Enterprise Liberary，PostSharp，ASP.NET MVC然后实现了一个简单的利用自定义属性来进行方法参数验证的例子，最后介绍了一下.NET 4.0种的Code Contract，在开发中这些验证方式能够统一我们的方法参数验证，在一定的程序上可以减少工作量，希望本文对您有所帮助。

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