.NET (C#) Internals: Delegates (1)

引言

委托（delegate），这个概念大家应该都知道或许还有一些新人不知道，比如说我就是现在才对delegate有个比较清晰的认识，这里我将深入解析delegate跟大家分享我所知道的，希望能对部分人有所帮助，给大家带来不一样的视角。

本文涉及主题如下：

1、委托初识
2、委托本质
- 2.1、委托类
- 2.2、委托构造器
- 2.3、委托调用
3、实例化委托的几种方式
- 3.1、使用new操作符实例化委托
- 3.2、用方法名实例化委托
- 3.3、用匿名方法实例化委托
- 3.4、Lambda表达式实例化委托
4、协变委托与逆协变委托
- 4.1、协变委托
- 4.2、逆协变委托

由于文章比较长，我分为几部分来写，而且文章太长了看起来也比较累。接下来的一篇讲讨论委托链等内容。

1、委托初识

我们知道委托是一个引用类型，所以他具有引用类型所具有的通性。他保存的不是实际值，而是保存对存储在托管堆（managed heap）中的对象的引用。那他保存的是对什么的引用呢？委托保存的是对函数（function）的引用。

对学过C/C++的人，是不是觉得跟函数指针很像呢！其实他们是有区别的，在非托管C/C++中，函数的地址就是一个内存地址。该地址不会携带任何额外的信息，例如函数期望的参数个数、参数类型、函数的返回值类型及函数的调用约定。总之，非托管C/C++中函数指针是非类型安全的。而.NET中的委托是类型安全的，委托会检测他所保存的函数引用是否和声明的委托匹配。下面的代码展示这个：

代码using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace DelegateTest
{
    class Program
    {
        public delegate void CallBack(string name, int number);
        void PersonInfo()
        { }

        static void Main(string[] args)
        {
            Program pr = new Program();
            CallBack cb = pr.PersonInfo;
        }
    }
}

编译它你将会看到如下错误：

图1、证明委托是类型安全的

而如果你的代码如下，将会正确调用PersonInfo函数而不会报错：

代码using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace DelegateTest
{
    class Program
    {
        public delegate void CallBack(string name, int number);
        void PersonInfo(string name, int no)
        {
            System.Console.WriteLine(name);
            System.Console.WriteLine(no);
        }       

        static void Main(string[] args)
        {
            Program pr = new Program();
            CallBack cb = pr.PersonInfo;
            cb("skynet", 23);
        }
    }
}

Note：与C/C++中的函数指针不同，委托是类型安全的，这点很重要！只有跟委托签名相同的方法才能传给/赋给委托。

2、委托本质

在C#中使用delegate关键字定义委托，然后使用我们熟悉的函数调用的语法来调用委托，如上述例子中的cb(“skynet”,23)。在这简单的表象背后，.NET编译器为我们做了什么呢？我们使用ILDasm.exe查看我们上面生成的DelegateTest的exe文件（不报错的那个），如下所示：

图2、ILDasm查看DelegateTest.exe

可以知道定义CallBack委托时，编译器为我们做了如下工作，实际上定义任何委托编译器都会做如下工作：

声明一个类，对应上图中的.class nested public auto ansi sealed。
该类扩展自System.MutlicastDelegate，对应上图中的extends [mscorlib]System.MutlicastDelegate。
该类包含一个构造器，对应上图中的.ctor: void(object ,native int)。
该类包含三个方法，分别是BeginInvoke、EndInvoke、Invoke。

2.1、委托类

当我们用delegate关键字声明委托时，编译器自动为我们生成如图2所示的类。类的名字即为委托变量名，访问类型为定义的委托访问类型。如上例中，public delegate void CallBack(string name, int number);定义的委托对应的类为CallBack，访问类型为public，该类继承自[mscorlib]System.MutlicastDelegate。如果我们定义委托的访问类型为private或者protected，则对应的委托类的访问类型为private或者protected。但是任何委托都继承自[mscorlib]System.MutlicastDelegate。

Note：mscorlib.dll一开始是Microsoft Common Object Runtime Library（微软通用对象运行时库）的首字母缩写。但是当ECMA开始标准化CLR以及部分FCL时，mscorlib.dll正式成为Multilanguage Standard Common Object Runtime Library（多语言标准通用对象运行时库）的首字母缩写。

MulticastDelegate 拥有一个带有链接的委托列表，该列表称为调用列表，它包含一个或多个元素。在调用多路广播委托时，将按照调用列表中的委托出现的顺序来同步调用这些委托。如果在该列表的执行过程中发生错误，则会引发异常。关于委托链的详细讨论将在本文后面讨论。MulticastDelegate类有如下重要的三个私有字段：（关于MulticastDelegate类，想了解更多）

字段	类型	描述
_target	System.Object	获取委托所表示的方法（继承自 Delegate）。指向回调函数被调用时应该被操作的对象，该字段用于实例化方法的回调。
_methodPtr	System.Int32	获取类实例，当前委托将对其调用实例方法（继承自 Delegate）。其主要用于表示指针或句柄，CLR用它来标识回调方法。
_prev	System.MulticastDelegate	指向另一个委托对象，该字段通常为null。

现在我们明白了——委托本质上是一个类，所以一个类可以在哪定义，一个委托也就可以在哪定义。

2.2、委托构造器

从图2还可以看出委托类包含一个构造器，并且构造器接受两个参数：一个对象引用和一个指向回调函数方法的整数。即，分别对应着2.1中所提到的MulticastDelegate类的_target、_methodPtr字段。事实上，MulticastDelegate类的构造器有三个重载，如下：

MulticastDelegate()，注意：仅.NET Compact Framework 2.0中支持，后面的版本3.5已经移除了它
MulticastDelegate(Object target, String method)：target——在其上定义 method 的对象，method——为其创建委托的方法的名称。此构造函数从编译器生成的代码所产生的类中调用。
MulticastDelegate(Type target, String method)：target——在其上定义 method 的对象的类型，method——为其创建委托的静态方法的名称。此构造函数是从某个类中调用的，它根据一个静态方法名称以及定义该方法的类的 Type 来生成一个委托。

上例中，语句CallBack cb = pr.PersonInfo; 就是调用的MulticastDelegate(Object target, String method)方法实例化的委托。

从构造器也可以看出，每个委托对象实际上是对方法及其调用时操作的对象的一个封装。MulticastDelegate类定义了两个只读公有实例属性：Target和Method。给定一个委托对象的引用，我们可以查询这些属性。Target属性返回一个方法回调时操作的对象引用。如果是静态方法，Target将返回null。Method属性返回一个标识回调方法的System.Reflection.MethodInfo对象。

2.3、委托调用

前面说了如何声明委托并用委托构造器实例化，那如何来调用委托呢？我们先来看看上例中main函数的IL代码，如下图所示：

图3、main函数IL代码

从图3可以知道，Main函数：1、调用类Program的构造器实例化Program对象；2、实例化Program的PersonInfo方法；3、调用委托CallBack的构造器，参数为object、int，即调用的是2.2中所讲的第二个构造器；4、加载“skynet”，23作为委托的参数，调用委托。

从Main函数的第4步可以知道实际上是通过Invoke(string,int32)方法调用委托，但注意C#中我们不可以通过Invoke方法显示地调用委托。当Invoke被调用时，它使用_target和_methodPtr两个私有字段来在指定的对象上调用期望的方法。注意Invoke方法的签名和CallBack委托的签名是相匹配的。换句话说，CallBack接受2两个参数且返回void，所以Invoke方法也接受同样的2个参数且返回void。

事实上，.NET Framework 允许您异步调用任何方法。为此，应定义与您要调用的方法具有相同签名的委托；CLR会自动使用适当的签名为该委托定义 BeginInvoke 和 EndInvoke 方法。说明：.NET Compact Framework 中不支持异步委托调用，也就是 BeginInvoke 和 EndInvoke 方法。

BeginInvoke 方法启动异步调用。该方法与您需要异步执行的方法具有相同的参数，还有另外两个可选参数。第一个参数是一个 AsyncCallback 委托，该委托引用在异步调用完成时要调用的方法。第二个参数是一个用户定义的对象，该对象将信息传入回调方法。BeginInvoke 会立即返回，而不等待异步调用完成。BeginInvoke 返回一个可用于监视异步调用进度的 IAsyncResult。

EndInvoke 方法检索异步调用的结果。在调用 BeginInvoke 之后随时可以调用该方法。如果异步调用尚未完成，则 EndInvoke 会一直阻止调用线程，直到异步调用完成。EndInvoke 的参数包括您需要异步执行的方法的 out 和 ref 参数（在 Visual Basic 中为 <Out> ByRef 和 ByRef）以及由 BeginInvoke 返回的 IAsyncResult。

代码示例（查看）演示了使用 BeginInvoke 和 EndInvoke 进行异步调用的四种常用方法。调用 BeginInvoke 之后，您可以执行下列操作：

进行某些操作，然后调用 EndInvoke 一直阻止到调用完成。
使用 IAsyncResult.AsyncWaitHandle 属性获取 WaitHandle，使用其 WaitOne 方法一直阻止执行直到发出 WaitHandle 信号，然后调用 EndInvoke。
轮询由 BeginInvoke 返回的 IAsyncResult，以确定异步调用何时完成，然后调用 EndInvoke。
将用于回调方法的委托传递给 BeginInvoke。异步调用完成后，将在 ThreadPool 线程上执行该方法。回调方法调用 EndInvoke。

3、实例化委托的几种方式

委托虽然是引用类型，也具有引用类型的通性——保存的是托管堆中对象的引用，但是delegate也具有独特之处，除了用new操作符实例化之外，还有用其他几种方法实例化。

3.1、使用new操作符实例化委托

跟普通类一样，可以使用new操作符实例化委托，如下代码所示：

代码using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace DelegateTest
{
    class Program
    {
        public delegate void CallBack(string name, int number);
        void PersonInfo(string name, int no)
        {
            System.Console.WriteLine(name);
            System.Console.WriteLine(no);
        }       

        static void Main(string[] args)
        {
            Program pr = new Program();            
            CallBack cb = new CallBack(pr.PersonInfo);
            cb("skynet", 23);
        }
    }
}

值得注意的是，new操作符实例化委托时传的参数的一个方法，如上代码所示CallBack cb = new CallBack(pr.PersonInfo)。然而，实际上编译器知道我们正在构造一个委托，它会通过分析源代码来确定我们引用的是哪个对象和方法。其中的对象引用会被传递给target参数，一个特殊的标识方法的Int32值（由MehtodDef或者MethodRef元数据标记获得）会被传递给methodPtr参数。对于静态方法而言，null会被传递给target参数。在构造器内部，这两个参数会被保存在相应的私有字段中。

委托除了调用实例方法还可以引用静态方法，假如上述示例中PersonInfo方法是静态的，则只需这样调用而不需要先实例一个Program对象：

代码        static void Main(string[] args)
        {            
            CallBack cb = new CallBack(Program.PersonInfo);
            cb("skynet", 23);
        }

对于委托调用静态方法同样适用于后面的几种实例化委托方法。

3.2、用方法名实例化委托

如第一节委托初识中给出的代码就是使用这种方法，这里就不累述了。这种方法相对于匿名委托（见3.3）叫做有名委托。

3.3、用匿名方法实例化委托

用匿名方法实例化委托，即将匿名方法赋给委托。注意：匿名方法中的变量的生命周期将扩展到委托的生命周期。代码示例如下：

代码using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace DelegateTest
{
    class Program
    {
        public delegate void CallBack(string name, int number);
        
        static void Main(string[] args)
        {
            CallBack cb = delegate(string name, int number)
            {
                System.Console.WriteLine(name);
                System.Console.WriteLine(number);
            };
            cb("skynet",23);
        }
    }
}

用ILDasm查看匿名方法实例化委托生成的IL代码，可知本质跟有名方法一样，如下图所示：

图4、匿名方法实例化委托

3.4、Lambda表达式实例化委托

这是C# 3.0中引入的，Lambda表达式是函数编程（Functional Programming）的核心概念，关于Lambda请自行查阅相关资料。代码示例：

代码using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace DelegateTest
{
    class Program
    {
        public delegate void CallBack(string name, int number);
        
        static void Main(string[] args)
        {
            CallBack cb = (name,number)=>
            {
                System.Console.WriteLine(name);
                System.Console.WriteLine(number);
            };
            cb("skynet",23);
        }
    }
}

4、协变委托与逆协变委托

在第一个委托初识中我们知道了：委托是类型安全的，只有方法的签名和委托的签名相同时，方法才能传给/赋给委托。但是协变和逆协变为我们提供了一定程度的灵活性。协变允许方法具有的派生返回类型比委托中定义的更多。逆变允许方法具有的派生参数类型比委托类型中的更少。即，委托中的协变只要针对方法及委托的返回值类型而言，而逆变则针对方法及委托中的参数而言。

4.1、协变委托

当委托方法的返回类型具有的派生程序比委托签名更大时，就称为协变委托方法。因为方法的返回类型比委托签名的返回类型更具体，所以可对其进行隐式转换，这样该方法就可用作委托。协变使得创建可被类和派生类同时使用的委托方法成为可能。代码示例：

代码public delegate ICollection MyDelegate (int someParam, 
                                 string anotherParam); 

IList DoSomething(int someParam, string anotherParam)
{
    //Method implementation
}

MyDelegate del = DoSomething;

//As IList is child of ICollection thus, 
//Del is covariance delegate.

4.2、逆协变委托

当委托方法签名具有一个或多个参数，并且这些参数的类型派生自方法参数的类型时，就称为逆变委托方法。因为委托方法签名参数比方法参数更具体，因此可在传递给处理程序方法时对他们隐式转换。这样逆变使得大量类使用的更通用的委托方法的创建变得更简单。代码示例：

代码public delegate ICollection MyDelegate (IList param);

ICollection DoSomething(ICollection param)
{
    //Method implementation
}

MyDelegate del = DoSomething;

//As IList is child of ICollection thus, 
//Del is contravariance delegate.

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