函数指针的进化论(3)

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Delegate

C# 也支持多态与反射，但是 C# 却是使用 delegate 来实现多线程和回调 (而不使用多态与反射)。delegate 是函数指针的改良品种。delegate 的效率应该比多态稍差，但是用起来更方便，且允许使用静态方法。

C# 编译器对 delegate 以及 event 提供了大量的语法甜头 (syntactic sugar)，这些语法甜头并不符合一般观念中的程序语法，所以往往让许多初学者丈二金刚摸不着头脑。后面会陆续揭露 C# 编译器的这些内幕。

C# 不支持函数指针，所以不能使用下面的语法：

void (*pFnc)(int, double);

必须改用下面的语法来宣告 delegate：

delegate void MyDelegate(int p1, double p2);

而上面的语法，等于下面的效果：

//版本一

class MyDelegate : System.MulticastDelegate {

  public MyDelegate(Object target, System.IntPtr)

  { ... }

  public void virtual Invoke(int p1, double p2)

  { ... }

  public virtual IasyncResult BeginInvoke(...)

  { ... }

  public virtual void EndInvoke(...)

  { ... }

}

其实，也可以是：

//版本二

class MyDelegate : System.MulticastDelegate {

  public MyDelegate(Object target, System.IntPtr)

  { ... } // IntPtr 和 pointer 无关，是 native int 的意思

  public void virtual Invoke(int p1, double p2)

  { ... }

}

为了简单起见，我们只讨论版本二。请注意，不管版本一与版本二，都无法编译成功，因为 C# 语言规定：只有 C# 编译器可以直接制造出继承自 MulticastDelegate 的类别，编程员不可以在 C# 原代码中定义 MulticastDelegate 的衍生类别。换句话说，这样的语法甜头是强制的，非用不可，别无选择。

补充说明，MulticastDelegate 继承自 Delegate。微软原本的意思是让 Delegate 的衍生类别只能包装一个方法，MulticastDelegate 的衍生类别可以包装多个方法。但是后来发现这样的设计有相当多缺点，所以干脆让所有的 delegate 都继承自 MulticastDelegate。由于这样重大的设计变更来得太晚，所以微软不敢全面调整 .NET Framework，怕会因此出现 bug，所以没有更动原先的链接库，只有更动编译器和文件。读者可能会认为，为何不用 .NET 特有的 side-by-side execution 方式 (用来解决 DLL Hell)，同时执行两个不同版本的 dll？我认为，问题之一出在 MulticastDelegate 与 Delegate 是属于 mscorlib.dll，这是绝对不能使用 side-by-side execution 的 dll。目前 (1.0 与 1.1) 虽然 MulticastDelegate 与 Delegate 都还存在，但是在未来的 .NET 版本可就难说了。

编译器帮我们产生的构造函数需要两个参数，第一个是方法所属的对象，第二个是方法在「Method」metadata table 中的位置。编程员当然不会知道这个位置是几号 (但是编译器知道)，所以编程员无法直接使用此构造函数。事实上，产生 delegate 对象的过程中充满离奇，有许多语法甜头，下面会一一解释。

你可以用下面的方式，来产生一个非静态方法的 delegate：

new MyDelegate(myObject.MyNonStaticMethod);

编译器会自动调用 MyDelegate 构造函数，第一个参数是 myObject，第二个参数是 MyNonStaticMethod 方法在「Method」metadata table中的位置。

你也可以用下面的方式，来产生一个静态方法的 delegate：

new MyDelegate(MyClass.MyStaticMethod);

编译器会自动调用 MyDelegate 构造函数，第一个参数是 null，第二个参数是 MyStaticMethod 方法在 「Method」metadata table中的位置。

注意：不管是不是 static 方法，都必须符合 MyDelegate 的 signature (参数和返回值的型态)，否则编译会失败。

下面有更怪的例子：

MyDelegate md = null;

md += new MyDelegate(MyClass.MyStaticMethod);

第一次看到这样的程序代码，许多人都会吓了一跳：md 是 null，怎么可以使用 +=？这会不会导致 System.NullReferenceException？事实上，这样的写法，编译之后会变成：

MyDelegate md = null;

md = System.Delegate.Combine(md, new MyDelegate(MyClass.MyStaticMethod));

Combine() 是 System.Delegate 所提供的静态方法，目的在于将第二个 Delegate 结合到第一个 Delegate 中，传回此一新的 Delegate；如果第一个 Delegate 为 null，则直接传回第二个 Delegate。

类似地，下面的程序：

md -= new MyDelegate(MyClass.MyStaticMethod);

编译之后会变成：

md = System.Delegate.Remove(md, new MyDelegate(MyClass.MyStaticMethod));

Remove() 是 System.Delegate 所提供的静态方法，目的在于将第二个 Delegate 自第一个 Delegate 中移除，并传回此一新的 Delegate。

稍早提到下面的定义：

delegate void MyDelegate(int p1, double p2);

会造成编译器会自动产生下面的定义。

class MyDelegate : System.MulticastDelegate {

  public MyDelegate(Object target, System.IntPtr)

  { ... } // IntPtr 和 pointer 无关，是 native int 的意思

  public void virtual Invoke(int p1, double p2)

  { ... }

}

现在我们把焦点集中在 Invoke() 上，此方法的参数和返回值型态一定会和 delegate 相同，以此例来说，方法参数必须是 int，double，而传出值必须是 void。

如何调用 delegate？相当简单，请看下面的例子：

MyDelegate d = new MyDelegate(MyClass.MyStaticMethod);

d(1, 3.4);

delegate 其实还有许多有趣的主题，包括 System.Reflection.RuntimeMethodInfo 类别做了哪些事 (这个类别是 Undocumented，.NET 1.0 文件中没有说明)、多个 delegate 如何串接、delegate 如何和反射机制合作......等，因为篇幅有限，我都不在本文章说明，请感兴趣的读者自行研究这些主题。

C# 的多线程

传统的多线程使用函数指针当参数，C# 利用 delegate 来取代函数指针，所以当然也将 delegate 用在多线程上。下面是一个 C# 多线程的例子：

using System;

using System.Threading;

class SimpleThreadApp {

  public static void WorkerThreadMethod() {

    // ...

  }

  public static void Main() {

    ThreadStart woker = new ThreadStart(WorkerThreadMethod);

    Thread t = new Thread(worker);

    t.start();

  }

}

ThreadStart 是一个 delegate，由 System.Threading 所提供。这个程序应该不难理解，所以我不再解释。

C# 的回调

对于 C# 来说，事件来源可以使用下面的方式来定义：

public class YourButton {

  public YourDelegate Click;

  // ...

}

这么一来，外面的程序如果想要注册，用法如下：

yourButton.Click += new YourDelegate(MyClass.MyStaticMethod);

在 YourButton 类别定义「内」，如果想通知所有的事件倾听者，只要用下面的程序代码即可：

Click();

糟糕的是，连在 YourButton 类别定义「外」，也可以使用下面的方式，来产生通知，这样子会违反对象导向的封装精神。

yourButton.Click();

所以显然我们应该将 YourButton 内的 Click 由 public 改成 private：

public class YourButton {

  private YourDelegate Click;

  // ...

}

但是这样却造成外面的程序无法向 YourButton 注册，所以我们再将程序改成下面的模样：

//作法一

public class YourButton {

  private YourDelegate Click;

  public void add_Click(YourDelegate d) {

    Click += d;

  }

  public void remove_Click(YourDelegate d) {

    Click -= d;

  }

  // ...

}

几乎大家都有这样的需求，所以 C# 编译器于是又提供了一个语法甜头 (利用 event 关键词)，只要写出下面 (作法二) 的程序，编译之后的结果就和上面 (作法一) 一样：

//作法二

public class YourButton {

  public event YourDelegate Click;

  // ...

}

或者你想要自行提供 add 和 remove 内的程序代码也成 (可能是为了提供 side-effect 程序代码)，如下所示 (有点类似 property 的语法)：

//作法三

public class YourButton {

  private YourDelegate _Click;

  public event YourDelegate Click {

    add {

      // .. side-effect code here, if any

      Click += value;

      // .. side-effect code here, if any

    }

    remove {

      // .. side-effect code here, if any

      Click -= value;

      // .. side-effect code here, if any

    }

  }

  // ...

}

为何用作法三，不用作法一，因为作法三有使用 event 关键词，只要有使用 event 关键词 (包括作法二)，就会使得编译器将它记录在「Event」Metadata Table 内。有没有纪录这个对于执行时的毫无影响，但是可以帮助编译器等工具软件判读，来简化原代码。例如，使用作法一，无法用下面的方式来注册以及取消注册。

yourButton.Click += new YourDelegate(MyClass.MyStaticMethod);

yourButton.Click -= new YourDelegate(MyClass.MyStaticMethod);

但是，使用作法二和三，则可以用这种方式来注册以及取消注册。因为编译器从「Event」Metadata Table 内发现 Click 是 event，所以只要程序中使用 +=，则自动编译成 add_Click()；使用 -=，则自动编译成 remove_Click()。

结论

函数指针、多态、反射、delegate，彼此之间互有关连，也各有优缺点。从函数指针演化到 delegate 的这段过程中，我对于这些机制设计者的巧思益发感到敬佩。

 

 

作者:蔡學鏞   更新日期:2004-11-07
来源:MDSN台湾   浏览次数:

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