匹夫細說C#：從園友留言到動手實現(xiàn)C#虛函數(shù)機制

前言

上一篇文章匹夫通過CIL代碼簡析了一下C#函數(shù)調用的話題。雖然點擊進來的童鞋并不如匹夫預料的那么多，但也還是有一些挺有質量的來自園友的回復。這不，就有一個園友提出了這樣一個代碼，這段代碼如果被編譯成CIL代碼的話，對虛函數(shù)的調用會使用call而非callvirt：

override string ToString(){    return Base.ToString();} 

至于為何是這樣，匹夫在回復中也做了解釋，因為如果CIL使用callvirt指令，那么上面那段代碼其實相當于是這樣的：

override string ToString(){    return this.ToString();}

所以如果使用callvirt的話，會產(chǎn)生無限遞歸的情況。那是為什么呢？因為callvirt主要會做兩件事，首先它會檢查實例是否為null。其次，如果實例不為空，則它會根據(jù)運行時類型尋找最恰當?shù)姆椒ㄈフ{用。當然，關于CIL代碼中的call和callvirt的討論是上一篇文章的內(nèi)容，在本篇文章，匹夫還是想就這個例子作為引子，聊一聊C#中的虛函數(shù)機制。

假如只有靜態(tài)函數(shù)

上一篇文章中，匹夫舉了一個使用“call”來調用對象為null的實例函數(shù)的例子，通過那個例子我們發(fā)現(xiàn)了原來實例函數(shù)需要將當前實例的引用作為參數(shù)傳入。由于是上一篇文章《用CIL寫程序:從“call vs callvirt”看方法調用》中的園友回復才讓匹夫有了寫這篇文章的想法，所以這里匹夫還使用上一篇文章中的例子，只不過把那篇文章中的CIL代碼換成C#。

現(xiàn)在假設我們有了以下3個類。

public class People{    PRivate string name = "People";    public virtual void Introduce()    {        string str = "我是People類，我叫" + this.name;        System.Console.WriteLine(str);    }}public class Murong : People{    private string name = "慕容小匹夫";    public override void Introduce()    {        string str = "我是Murong類，我叫" + this.name;        System.Console.WriteLine(str);    }}public class ChenJD : People{    private string name = "陳嘉棟";    public void Introduce()    {        string str = "我是ChenJD類，我叫" + this.name;        System.Console.WriteLine(str);    }}

還記得前一篇文章中，匹夫提到過的編譯時類型和運行時類型嗎？簡單回顧一下，對編譯器來說，變量的類型就是你聲明它時的類型，也就是編譯時類型，假設為TypeA。但是，往往有這種情況，就是你實例化了另一個類型，假設為TypeB，并且將這個實例的引用賦值給了你之前聲明的那個變量。這就是說，在這段程序運行的時候，編譯階段被定義為TypeA類型的變量所指向的是一塊存儲了類型TypeB的實例的內(nèi)存。這里，TypeB便是運行時類型。搞清楚這一點，我們才能繼續(xù)下文的內(nèi)容。那就是我們聲明一個People類型的變量，然后再將它的派生類實例的引用賦值給這個變量，看看會有一些什么有趣的事情發(fā)生。

public class Test1{    static void Main()    {        //編譯時類型是People，運行時類型是People        People person = new People();        person.Introduce();        //編譯時類型是People，運行時類型是Murong        person = new Murong();        person.Introduce();        //編譯時類型是People，運行時類型是ChenJD        person = new ChenJD();        person.Introduce();        //編譯時類型是ChenJD，運行時類型是ChenJD        ChenJD chen = new ChenJD();        chen.Introduce();    }}

這組實現(xiàn)其實在上一篇文章中，匹夫使用CIL代碼實現(xiàn)過。那么這里我們再重新用C#來做一遍。老套路，編譯運行。

這四條輸出結果，前2條都十分正常，沒有什么可奇怪的。但是在ChenJD這個類中，并沒有使用override關鍵字去重寫基類People中的虛方法Introduce，而是直接實現(xiàn)了一個自己的實例函數(shù)Introduce。

而奇怪的事情也恰恰發(fā)生在和ChenJD這個類相關的操作中，那就是當變量聲明為People類時，即使將ChenJD類的實例引用賦值給這個變量，調用Introduce方法，但輸出的卻不是ChenJD中重新定義的那個Introduce方法，反而很奇怪的調用起了基類People的Introduce方法。

與此同時，聲明為ChenJD類的變量chen，在調用Introduce方法時，的確是選擇了ChenJD類重新定義的Introduce。

那么我們能直觀的發(fā)現(xiàn)一些什么（從最直觀的角度看）？

• 即便將變量聲明為People，換言之變量的編譯時類型是People。但是將不同的實例引用賦值給它，它也會根據(jù)運行時類型尋找正確的被重寫的方法去調用。例如Murong中使用override關鍵字重寫的方法Introduce。
• 將變量聲明為People，和將變量聲明為ChenJD（也就是說編譯時類型一個是People，一個是ChenJD），即使它們的運行時類型都是ChenJD，但是調用的Introduce方法顯然不同。

的確有點意思了，是嗎？

那么現(xiàn)在假設我們的手中只有靜態(tài)方法，換言之上面例子中的虛方法，實例方法其實全部是靜態(tài)方法變化而來的，那么我們應該如何通過靜態(tài)方法來實現(xiàn)實例方法和虛方法的功能呢？

先從實例方法下手

實例方法和靜態(tài)方法有什么不同呢？大概你會說一個目標是實例，一個目標是類。不錯，但除此之外它們還有什么本質的區(qū)別嗎？貌似沒有了。那么好，如果我們只有靜態(tài)方法，如何去實現(xiàn)一個實例方法的功能呢？不錯，把實例的引用當做這個靜態(tài)方法的一個參數(shù)。

那么我們就以上面的ChenJD類中的Introduce方法入手，使用靜態(tài)方法的形式去實現(xiàn)一個實例方法的功能。

    //用靜態(tài)方法實現(xiàn)實例方法    public static void Introduce(ChenJD _this)    {        string str = "我是ChenJD類，我叫" + _this.name;        System.Console.WriteLine(str);    }

那么我們該如何調用呢？

很簡單，直接調用ChenJD這個類的靜態(tài)方法Introduce，同時將它的實例引用作為參數(shù)傳入這個靜態(tài)方法。

//調用靜態(tài)函數(shù)實現(xiàn)的實例函數(shù)ChenJD chen = new ChenJD();ChenJD.Introduce(chen);

編譯運行的結果和上面調用實例函數(shù)是一樣的。

所以，實例函數(shù)的實現(xiàn)，其實就是靠將當前實例的引用作為參數(shù)_this傳入一個靜態(tài)函數(shù)中，只不過這個參數(shù)_this對我們不可見罷了。

OK,可為什么匹夫你饒了一大圈聊怎么用靜態(tài)函數(shù)實現(xiàn)實例函數(shù)呢？這個和本文的主題有關系嗎？當然有，因為如果所謂的虛函數(shù)也是用靜態(tài)方法實現(xiàn)的呢？

從靜態(tài)方法到虛函數(shù)

其實，實現(xiàn)c#的虛函數(shù)機制只需要靜態(tài)函數(shù)和委托就夠了。所以，進入下面的內(nèi)容之前我們要先拋棄現(xiàn)有的一些現(xiàn)成的概念，比如實例函數(shù)。

此時，我們假設我們手中只有靜態(tài)函數(shù)和委托，下面匹夫就帶領各位一起去一探虛函數(shù)的究竟吧。

_this是誰很重要

虛函數(shù)有什么特點呢？嗯~，匹夫簡單想了想，最大的特點可能就是需要具備在運行時選擇正確的重寫版本的能力。

假如沒有現(xiàn)成的虛函數(shù)的存在，那么在運行時才決定要調用哪個函數(shù)的能力，會讓你想到誰呢？

不錯，前方一大波delegate仿佛就在眼前。

但是還是要注意啊，我們現(xiàn)在沒有所謂的實例方法的存在，有的只是靜態(tài)方法。那么我們所有的虛函數(shù)和重寫方法，應該怎么表示呢？

不錯，和剛剛才說過的實例方法的實現(xiàn)方式一樣，將_this作為靜態(tài)函數(shù)不可見的第一個參數(shù)傳入。那么問題來了，_this到底應該是什么類型的呢？

這為什么是一個問題呢？

因為你可以有很多派生類，派生類中又可以重寫虛函數(shù)，那么這個虛函數(shù)的第一個參數(shù)_this到底是誰就很重要了。所以，第一個參數(shù)_this 就是聲明這個函數(shù)的那個類型實例。具體到剛剛的例子，聲明為People類型的變量，即便被賦值為Murong的實例引用、ChenJD的實例引用卻都是去最初聲明了虛函數(shù)Introduce的People中去分派符合的重寫方法的版本，當Murong使用了override關鍵字的時候，People能夠找到Murong的重寫版本，所以調用了Murong的重寫版本。而由于ChenJD類中并沒有重寫基類的虛方法，而是重新定義了一個自己的Introduce方法，所以People找不到符合的重寫版本，輸出的就是最初定義的Introduce。而聲明為ChenJD的變量，在調用Introduce方法時，_this已經(jīng)變成了ChenJD類，和People已經(jīng)沒有關系了。

明白了這一點，我們探索C#的虛函數(shù)機制就完成了51.23198%了。

delegate有話說

上文已經(jīng)說了，為了實現(xiàn)虛函數(shù)能夠在運行時選擇正確重寫版本的能力，我們可以考慮使用委托。將調用函數(shù)換個思路，變成對委托的調用，這樣自然就實現(xiàn)了根據(jù)不同的情況，調用不同函數(shù)。

那么我們再來改寫一下上文中的例子。

public class People{    //新增的    public Action<People> DelegateIntroduce;    public string name = "People";    public static void Introduce(People _this)    {        string str = "我是People類，我叫" + _this.name;        System.Console.WriteLine(str);    }}public class Murong : People{    public string name = "慕容小匹夫";    public static void Introduce(People _this)    {        string str = "我是Murong類，我叫" + _this.name;        System.Console.WriteLine(str);    }}public class ChenJD : People{    public string name = "陳嘉棟";    public static void Introduce(People _this)    {        string str = "我是ChenJD類，我叫" + _this.name;        System.Console.WriteLine(str);    }}

到此，匹夫將之前例子中的實例函數(shù)全部替換成了靜態(tài)函數(shù)，而且還新增了一個委托Action<People> DelegateIntroduce。那么現(xiàn)在我們就利用這個委托，來實現(xiàn)我們的目標，將對具體函數(shù)的調用，轉換成對委托的調用。那么首先我們顯然需要一個方法，來對各個派生類的委托字段初始化賦值。

不過在此之前，匹夫查閱資料時發(fā)現(xiàn)了很有趣的一點，那就是現(xiàn)實的C#的虛函數(shù)槽（上一篇文章中提到過這個概念）其實是在類實例分配完內(nèi)存之后，但是在實例構造器調用之前就被初始化了。所以，為了模擬這一點，我們不使用實例構造器（實例構造器主要負責實例的初始化，比如字段賦值等等），而引入一個靜態(tài)Create方法，使用new來分配內(nèi)存，之后初始化我們的DelegateIntroduce也就是委托字段，之后再做一些實例構造器做的事情。這里僅僅寫出基類People的Create方法，它的派生類類似。

  //使用靜態(tài)方法創(chuàng)建實例      public static People Create()    {        People people = new People();//僅僅分配內(nèi)存        People.InitVirCall(people);//初始化我們的委托        //TODO        //之后實例構造器要做的事情    }    

之后就到了我們實現(xiàn)委托字段初始化的階段了。那么無非是將派生類各自的重寫方法賦值給委托。所以，我們在此將虛函數(shù)和使用了override關鍵字的重寫版本賦值給對應的委托，而沒有使用override關鍵字的方法則不在此列，例如ChenJD類中的Introduce方法。在此需要注意，對于派生類來說，首先要調用基類中定義的為委托字段賦值的方法，將虛函數(shù)最初的定義首先賦值給委托，這其實也就是為何當沒有正確的重寫版本時，會調用在基類中最初定義的那個方法。

//基類，也就是Introduce方法的原始定義的類。    public static void InitVirCall(People people)    {        people.DelegateIntroduce = People.Introduce;//保證了最原始（定義）的Introduce方法賦值給委托    }//派生類Murong，重寫了Introduce方法    public static void InitVirCall(Murong murong)    {        People.InitVirCall(murong);//首先保證最原始也就是定義的方法在賦值給委托。        murong.DelegateIntroduce = Murong.Introduce;//其次如果有重寫版本，再賦值給委托。如沒有重寫版本則不賦值。    }//派生類ChenJD，沒有重寫Introduce方法，而是重新定義了該方法。//因為沒有重寫基類的Introduce方法，所以不能賦值給DelegateIntroduce    public static void InitVirCall(ChenJD chen)    {        People.InitVirCall(chen);        //因為ChenJD類中的Introduce是重新定義的，所以不加到委托中。    }

到此。。。我們似乎又發(fā)現(xiàn)了一個新的問題。因為會涉及到實例的字段的問題，但是傳入各個Introduce的都是People類的實例，那么字段的值就不能保證是派生類自己的了。比如編譯一下上面的代碼，輸出的其實是：

所以為了能夠匹配正確的類型，我們還需要進行一步轉化。將People轉化成對應的派生類。到此，我們就利用委托和靜態(tài)方法實現(xiàn)了虛函數(shù)的機制。代碼如下：

using System;public class Test1{    static void Main()    {        People person =  People.Create();        person.DelegateIntroduce(person);        person = Murong.Create();        person.DelegateIntroduce(person);        person = ChenJD.Create();        person.DelegateIntroduce(person);        ChenJD chen = ChenJD.Create();        ChenJD.Introduce(chen);    }}public class People{    //新增的    public Action<People> DelegateIntroduce;    public string name = "People";    public static void Introduce(People _this)    {        string str = "我是People類，我叫" + (_this as People).name;        System.Console.WriteLine(str);    }    public static People Create()    {        People people = new People();//僅僅分配內(nèi)存        People.InitVirCall(people);//初始化我們的委托        //TODO        return people;    }    public static void InitVirCall(People people)    {