CLR怎样实现虚方法的多态调用（1）

最近一直对.net framework中，虚方法的调用是如何实现这个问题有些疑惑，在看了Essential .Net关于Method的那一章和Artech推荐的文章Drill Into .NET Framework Internals to See How the CLR Creates Runtime Objects以后，还是一知半解，有些疑惑得不到答案。主要有这些：
  •   父类定义的非虚方法是否在子类中有拷贝？
  •   虚方法是如何实现多态的？
  •   子类继承父类的虚方法实现是否和继承非虚方法机制相同？
  •   如果子类隐藏了父类的虚方法，这又是怎样实现的？

  当然问题不止这么多，关于接口方面还有很多很多疑惑，不过时间有限，一下也没办法全部弄清楚，有时间慢慢研究。我主要使用Windbg工具来跟踪调试，关于这个工具如何使用，Google一下就会有很多了。

  这些都是我自己研究加上参考资料所得，如果有不对的地方，希望大家讨论指出。

  首先看下面这段代码：

 public class Base
 {
     public virtual void VirtualFun1()
     {
         Console.WriteLine("Base.VirtualFun1");
     }
     public void NoneVirtualFun1()
     {
         System.Console.WriteLine("Base.NoneVirtualFun1");
     }
     public virtual void VirtualFun2()
     {
         System.Console.WriteLine("Base.VirtualFun2");
     }
     public virtual void VirtualFun3()
     {
         System.Console.WriteLine("Base.VirtualFun3");
     }
 }

 public class Derived : Base
 {
     public override void VirtualFun1()
     {
         Console.WriteLine("Derived.VirtualFun1");
     }
     public new virtual void VirtualFun2()
     {
         System.Console.WriteLine("Derived.VirtualFun2");
     }
     public virtual void VirtualFun4()
     {
         System.Console.WriteLine("Derived.VirtualFun4");
     }

 }

Base类是基类，它包含三个虚方法VirtualFun1, VirtuaFun2, VirtualFun3和一个非虚方法NoneVirtualFun1。

Derived继承Base类，它重写了VirtualFun1虚方法，隐藏了Base类的VirtualFun2虚方法，然后又增加了VirtualFun4虚方法。

看看一个Base类的实例在内存中是怎样排布的：

image

  Object Ref表示某Base实例的引用，它指向在GC Heap中分配的Base对象，这个对象可以分为三部分：同步块索引、类型指针和字段。主要来关注类型指针，它指向该类型的Method Table，这其实是在Load Heap中分配的Type类型对象，所有该类型的实例的类型指针都指向同一个Method Table（这里表示所有Base对象的类型指针都指向同一个Method Table）。

  Method Table里面包含很多信息，这里关注有关Method这一区域，（如果想了解更详细的method table，请参考上面的文章）。

  根据在Method Table里的信息，可以知道它包含9个Method（其实应该有个字段标示有多少个虚方法，这里就没画了）。接下来就是这些method，它分为两部分，前面一部分是所有的虚方法，后面的是非虚方法。因为所有的类型都是继承自System.Object类，所以前四个方法是Object类的虚方法（ToString, Equals, GetHashCode, Finalize），接着是Base类定义的三个虚方法（VirtualFun1, VirtualFun2, VirtualFun3），最后是Base类的非虚方法NoneVirtualFun1以及默认的构造函数。下面再来看看Derived类型的Method Table：

image

仔细对比一下这两个Method Table，可以发现这样几个特点：

  • Base类中的所有虚方法在Derived类的Method Table中一一对应
  • Base类中的所有非虚方法在Derived类中的Method Table并没有拷贝（这一点回答了上面的第一个问题）
  • Derived类新增的虚方法都添加到继承自Base类的虚方法的后面
  • 如果Derived类override Base类的虚方法，它就将该方法指向自身的实现
  • 如果Derived类使用new关键字隐藏了Base类虚方法的实现，它就相当于增加了一个虚方法，而不是覆盖。

下面看看调用虚方法时如何实现多态，比如有这样一段代码

  Base b = new Derived();

  b.VirtualFun1();

编译后在我的机器上会生成这样的汇编代码：

  mov ecx, esi

  mov eax, dword ptr[ecx]

  call dword ptr [eax + 3ch]

  现在来解释这几句代码：mov ecx, esi 是将新构造的对象的地址保存在ecx寄存器中； mov eax, dword ptr[ecx] 表示ecx的值是一个指针（根据上面的图可以知道对象的头4个字节保存的是method table的地址），它将method table的地址保存到eax寄存器中，最后call dword ptr[eax + 3ch]。3ch表示偏移量，它表示该方法相对于该method table的偏址，是在该类型加载到load heap以后确定的。这样，由method table的地址加上method相对与method table的偏移量，就可以唯一确定一个方法。

  这样在调用b.VirtualFun1(); 时，由于b是Derived类的实例，所以根据它指向的托管对象找到的method table是Derived类型的method table，就能正确调用该方法。因为Derived类中override了VirtualFun1这个虚方法，所以调用的是Derived类的实现，而如果没有override基类的虚方法，它就指向基类的该方法的实现。

  由此可以看出，CLR实现虚方法的机制主要是通过类型的method table加上该虚方法相对于method table的偏移量来确定调用具体方法的。一个虚方法在整个继承体系所有类型对应的method table中的偏移量是固定的，比如VirtualFunc1在Base类型的method table中的偏移量是3ch，它在Derived类型的method table中的偏移量也是3ch，如果还有继承自Derived类的类，也是同样，利用这种机制就实现了多态。

  结论

  •   每个类型对应一个Method Table
  •   子类的Method Table中包含父类的所有虚方法，而不包含父类的非虚方法
  •   CLR根据对象找到它对应类型的method table，然后根据该虚方法在method table中的偏移量实现多态调用。

在上一篇文章CLR怎样实现虚方法的多态调用（1）中主要介绍了CLR怎样多态调用虚方法以及各种类型的方法在Method Table中的排布，但是没有介绍怎样调用接口方法，当某个对象向上转型为接口时进行多态调用时，CLR是怎样实现的呢？以下面这段代码为例来说明：
namespace Demo
{
    public interface IFoo
    {
        void Foo();
    }

    public class Base : IFoo
    {
        public void Foo()
        {
            Console.WriteLine("In base's Foo function");
        }
    }


    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            IFoo i = new Base();
            i.Foo();
        }
    }
}

  在Essential .NET中，Don Box向读者简单描述了基于接口的多态调用，在堆中有一个全局接口映射表，当某个类实现了一个接口，就会在这个接口表中增加项，而增加的这些项又指向这个具体类的Method Table中的Method，可能说的不是太清楚，就用个图来表示：

image

 当进行方法调用的时候，首先通过对象找到该类型的Method Table，根据偏移量找到指向Interface Offset Table的指针来定位这个Interface Offset Table，然后CLR查找调用方法在这个Offset Table的偏移量，最后调用该方法。调用的汇编代码如下：

 mov ecx, esi  -- 保存对象地址到ecx中

 mov eax, dword ptr [ecx] -- 把类型的Method Table的地址保存在eax中

 mov eax, dword ptr [eax+0ch] -- 把Interface Offset Table的地址保存在eax中

 mov eax, dword ptr [eax + interface offset] -- 根据Interface在Table中的偏移量，找到其地址并保存到eax中

 call dword ptr [eax +  method offset] -- 根据该方法的偏移量定位改方法进行调用

可以说这样的调用逻辑是很清楚容易让人理解的。

但是当我用windbg进行跟踪的时候却发现接口方法调用机制和上面所说的不同，并没有一个查找Interface Offset Table的过程，在Main函数里是这样的调用：

 mov ecx, esi --  保存对象地址到ecx中

 call dword ptr ds:[980010h]  在数据段980010h上保存的是一个指针，实际上调用的是：

 jmp mscorwks!ResolveWorkerAsmStub

 可以看到跳转到ResolveWorkerAsmStub函数里去了。而这个函数是做什么的呢，下面的代码是从SSCLI里面找到的（有兴趣的可以看看virtualcallstubcpu.hpp）：

__declspec (naked) void ResolveWorkerAsmStub()

{

// 首先保存寄存器状态

call VirtualCallStubManager::ResolveWorkerStatic //调用ResolveWorkerStatic方法
//还原寄存器状态
jmp eax //eax保存着实际上要调用的方法的地址，所以这里就开始了方法调用

}

所以猜想到在VirtualCallStubManager::ResolveWorkerStatic函数里面正确找到了方法的地址，保存在eax里。

看来到底是怎样取到该方法地址这个问题只能等下次有时间再用windbg跟踪。如果有人了解，也希望能解释一下来帮助我解答疑惑。

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