.NET 委托的底层原理浅析

简介

.NET 通过委托来提供回调函数机制，与C/C++不同的是，委托确保回调是类型安全，且允许多播委托。并支持调用静态/实例方法。

简单来说，C++的函数指针有如下功能限制，委托作为C#中的上位替代，能弥补函数指针的不足。

1、类型不安全

函数指针可以指向一个方法定义完全不同的函数。在编译期间不检查正确性。在运行时会导致签名不同导致程序崩溃

2、只支持静态方法

只支持静态方法，不支持实例方法(只能通过邪道来绕过)

3、不支持方法链

只能指向一个方法定义

函数指针与委托的相似之处

函数指针

typedef int (*func)(int, int);

委托

delegate int func(int a, int b);

委托底层模型

delegate关键字作为语法糖，IL层会为该关键字自动生成Invoke/BeginInvoke/EndInvoke方法，在.NET Core中，不再支持BeginInvoke/EndInvoke

眼见为实

public abstract partial class Delegate : ICloneable, ISerializable
{
    // _target is the object we will invoke on
    internal object? _target; // 源码中的注释不太对（null if static delegate）。应该是这样：如果注册的是实例方法，则是this指针，如果是静态则是delegate实例自己。

    // MethodBase, either cached after first request or assigned from a DynamicMethod
    // For open delegates to collectible types, this may be a LoaderAllocator object
    internal object? _methodBase; //缓存

    // _methodPtr is a pointer to the method we will invoke
    // It could be a small thunk if this is a static or UM call
    internal IntPtr _methodPtr;//实例方法的入口，看到IntPtr关键字就知道要与非托管堆交互，必然就是函数指针了，

    // In the case of a static method passed to a delegate, this field stores
    // whatever _methodPtr would have stored: and _methodPtr points to a
    // small thunk which removes the "this" pointer before going on
    // to _methodPtrAux.
    internal IntPtr _methodPtrAux;//静态方法的入口
}
public abstract class MulticastDelegate : Delegate
{
	//多播委托的底层基石
    private object? _invocationList; 
    private nint _invocationCount;

	//实例委托调用此方法
	private void CtorClosed(object target, IntPtr methodPtr)
    {
        if (target == null)
            ThrowNullThisInDelegateToInstance();
        this._target = target;
        this._methodPtr = methodPtr;//函数指针被指向_methodPtrAux
    }
	//静态委托调用此方法
	private void CtorOpened(object target, IntPtr methodPtr, IntPtr shuffleThunk)
    {
        this._target = this;//上面说到，_target的注释不对的判断就在此
        this._methodPtr = shuffleThunk;//与实例委托不同，这里被指向一个桩函数
        this._methodPtrAux = methodPtr;//函数指针被指向_methodPtrAux
    }
}

委托如何同时支持静态方法与实例方法？

static void Main(string[] args)
{
    //1.注册实例方法
    MyClass myObject = new MyClass();
    MyDelegate myDelegate2 = new MyDelegate(myObject.InstanceMethod);
    myDelegate2.Invoke("Hello from instance method");

    Debugger.Break();

    //2.注册静态方法
    MyDelegate myDelegate = MyClass.StaticMethod;
    myDelegate.Invoke("Hello from static method");

    Debugger.Break();

}

public delegate void MyDelegate(string message);

public class MyClass
{
    public static void StaticMethod(string message)
    {
        Console.WriteLine("Static Method: " + message);
    }

    public void InstanceMethod(string message)
    {
        Console.WriteLine("Instance Method: " + message);
    }
}

myDelegate2.Invoke("Hello from instance method");
00007ff9`521a19bd 488b4df0        mov     rcx,qword ptr [rbp-10h]
00007ff9`521a19c1 48baa0040000c7010000 mov rdx,1C7000004A0h ("Hello from instance method")
00007ff9`521a19cb 488b4908        mov     rcx,qword ptr [rcx+8]
00007ff9`521a19cf 488b45f0        mov     rax,qword ptr [rbp-10h]
00007ff9`521a19d3 ff5018          call    qword ptr [rax+18h] //重点
00007ff9`521a19d6 90              nop   
            myDelegate.Invoke("Hello from static method");
00007ff9`521a1a54 488b4de8        mov     rcx,qword ptr [rbp-18h]
00007ff9`521a1a58 48baf0040000c7010000 mov rdx,1C7000004F0h ("Hello from static method")
00007ff9`521a1a62 488b4908        mov     rcx,qword ptr [rcx+8]
00007ff9`521a1a66 488b45e8        mov     rax,qword ptr [rbp-18h]
00007ff9`521a1a6a ff5018          call    qword ptr [rax+18h]  //重点
00007ff9`521a1a6d 90              nop

可以看到，静态与实例都指向了rax+18h的地址偏移量。

那么+18到底指向哪里呢？

Invoke的本质就是调用_methodPtr所在的函数指针

那么有人就会问了，前面源码里不是说了。静态方法的入口不是_methodPtrAux吗？怎么变成_methodPtr了。

实际上，如果是静态委托。JIT会生成一个桩方法，桩方法内部调用会+20偏移量的内容。从而调用_methodPtrAux

实例与静态核心代码的差异，大家有兴趣的话可以看一下它们的汇编

1、实例方法核心代码

private void CtorClosed(object target, nint methodPtr)
{
	if (target == null)
	{
		ThrowNullThisInDelegateToInstance();
	}
	_target = target;
	_methodPtr = methodPtr;//_methodPtr真正承载了函数指针
}

2、静态方法核心代码

private void CtorOpened(object target, nint methodPtr, nint shuffleThunk)
{
	_target = this;
	_methodPtr = shuffleThunk;//_methodPtr只是一个桩函数
	_methodPtrAux = methodPtr;//真正的指针在_methodPtrAux中
}

委托如何支持类型安全？

internal class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        //1. 编译器层面错误
        //var myDelegate = new MyDelegate(Math.Max);

        //2. 运行时层类型转换错误
        var myDelegate = new MyDelegate(Console.WriteLine);
        MyMaxDelegate myMaxDelegate = (MyMaxDelegate)(object)myDelegate;

        Debugger.Break();
    }

    public delegate void MyDelegate(string message);
    public delegate int MyMaxDelegate(int a, int b);


}

1、编译器层会拦截

这个很简单，在编译器中如果定义不匹配就会报错。

2、CLR Runtime会在汇编中插入检查命令

检查不一致会报错，不至于整个程序奔溃。

委托如何支持多播？

多播委托的添加

委托使用+=或者Delegate.Combine来添加新的委托。其底层调用的是CombineImpl，由子类MulticastDelegate实现。

并最终产生一个新的委托

for循环1000次Combine委托，会产生1000个对象，

//简化版
protected sealed override Delegate CombineImpl(Delegate? follow)
{
    MulticastDelegate dFollow = (MulticastDelegate)follow;
    object[]? resultList;
    int followCount = 1;
    object[]? followList = dFollow._invocationList as object[];
    if (followList != null)
        followCount = (int)dFollow._invocationCfollowListount;

    int resultCount;
	            if (!(_invocationList is object[] invocationList))
    {
        resultCount = 1 + followCount;
        resultList = new object[resultCount];
        resultList[0] = this;
        if (followList == null)
        {
            resultList[1] = dFollow;
        }
        else
        {
            for (int i = 0; i < followCount; i++)
                resultList[1 + i] = followList[i];
        }
        return NewMulticastDelegate(resultList, resultCount);
    }
	//xxxxxxxxxx
}
//关键核心，将组合后的Delegate组成一个新对象，并填充invocationList，invocationCount
private MulticastDelegate NewMulticastDelegate(object[] invocationList, int invocationCount, bool thisIsMultiCastAlready)
{
    // First, allocate a new multicast delegate just like this one, i.e. same type as the this object
    MulticastDelegate result = (MulticastDelegate)InternalAllocLike(this);

    // Performance optimization - if this already points to a true multicast delegate,
    // copy _methodPtr and _methodPtrAux fields rather than calling into the EE to get them
    if (thisIsMultiCastAlready)
    {
        result._methodPtr = this._methodPtr;
        result._methodPtrAux = this._methodPtrAux;
    }
    else
    {
        result._methodPtr = GetMulticastInvoke();
        result._methodPtrAux = GetInvokeMethod();
    }
    result._target = result;
    result._invocationList = invocationList;
    result._invocationCount = invocationCount;
    return result;
}

多播委托的执行

上面提到,Invoke的本质就是调用_methodPtr所在的函数指针.

那么自然而然，负责执行多播肯定就是_methodPtr了。

从上面的源码可以知道，MulticastDelegate在初始化的时候要调用一次GetMulticastInvoke(),让我们来看看它是什么？

哦豁，它还是一个非托管的方法，有兴趣的同学可以自行查看coreclr的c++源码。奥秘就在其中，本人水平有限，怕误人子弟。

简单来说，就是_methodPtr方法在coreclr底层，for循环执行invocationList的委托队列。

思考一个问题，如果只是一个简单的for循环，其中一个委托卡死/执行失败，怎么办？

提示：MulticastDelegate类中有很多override method

非托管委托(函数指针)

C#作为C++的超集，也别名为C++++ 。也可以说是C++的手动挡(JAVA是C++的自动挡)。

自然而然，C++有的，C#也要有。因此在C#11中引入了函数指针，性能更强的同时也继承了C++的所有缺点（除了会在编译期间协助类型安全检查）.

learn.microsoft.com/zh-cn/dotne…

泛型委托

为了减轻你工作量，避免创建太多委托定义。BCL提供了Action/Func来提供便利，减少你的代码量。

它们在底层与delegate并无区别

Lambd表达式

泛型委托是Lambd的基石，其底层还是委托那套东西

var list = new List<string>();
var w= list.Where(x => x.Length > 100);

事件与委托的关系

CLR事件模型以委托为基础，它们之间的关系。像是对委托的进一步封装。

1、事件就是一个语法糖，自己自身并没有新概念

2、委托和事件的关系”等同于“字段和属性的关系”

事件作为语法糖，IL会在底层生成一个委托并提供add_xxxx与remove_xxxx方法对委托进行封装。

实际上在底层，还是操作Delegate.Combine那一套东西。

最后

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作者：叫我安不理

出处：cnblogs.com/lmy5215006/p/18534896

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