关于多态不多解释了,在运行时决定和调用具体的实现,是面向对象的基础 设计模式的基础.
准备把继承多态和接口多态分开,因为从CLR实现的角度继承多态相比于接口多态要简单得多,也更容易理解,本篇只讨论继承多态, .NET Framework 2.0 和 4.0 这两个版本在实现上稍微有点区别(这里先忽略方法Jit编译的过程,只关注实现的方式).

废话不多,先看代码: C# Polymorphism01.cs

using System;using System.Runtime.CompilerServices;public class Program{   public static void Main(string[] args)   {        Console.WriteLine("Polymorphism01 demo");      BaseClass bc = new BaseClass();     BaseClass bc1 = new ChlidClass();       BaseClass bc2 = new BrotherClass();     BaseClass bc3 = new DerivedOfBrotherClass();        BrotherClass bc4 = new DerivedOfBrotherClass();

     bc.VirtualFun1();        bc1.VirtualFun1();       bc2.VirtualFun1();       bc3.VirtualFun1();       bc3.VirtualFun2();       bc4.VirtualFun3();

     Console.ReadLine();  }}public class BaseClass{   [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]   public virtual void VirtualFun1()    {        Console.WriteLine("BaseClass VirtualFun1");    }    [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]   public virtual void VirtualFun2()    {        Console.WriteLine("BaseClass VirtualFun2");    }}public class ChlidClass : BaseClass{  [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]   public override void VirtualFun1()   {        Console.WriteLine("ChlidClass VirtualFun1");   }    [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]   public override void VirtualFun2()   {        Console.WriteLine("ChlidClass VirtualFun2");   }}public class BrotherClass : BaseClass{    [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]   public override void VirtualFun1()   {        Console.WriteLine("BrotherClass VirtualFun1"); }    [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]   public override void VirtualFun2()   {        Console.WriteLine("BrotherClass VirtualFun2"); }

 [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]   public virtual void VirtualFun3()    {        Console.WriteLine("BrotherClass VirtualFun3"); }}public class DerivedOfBrotherClass : BrotherClass{    [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]   public override void VirtualFun1()   {        Console.WriteLine("DerivedOfBrotherClass VirtualFun1");    }    [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]   public override void VirtualFun2()   {        Console.WriteLine("DerivedOfBrotherClass VirtualFun2");    }

 [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]   public override void VirtualFun3()   {        Console.WriteLine("DerivedOfBrotherClass VirtualFun3");    }}

• 编译代码 先用 .Net Framework 2.0 编译:

  12	%windir%\Microsoft.NET\Framework\v2.0.50727\csc.exe /debug /target:exe /out:e:\temp\Polymorphism01_2.0.exe e:\temp\Polymorphism01.cspause

• 运行 Polymorphism01_2.0.exe

• 启动windbg 附加进程 加载SOS

• 查找对应的模块：
  !Name2EE *!Polymorphism01_2.0.exe

0:004> !Name2EE *!Polymorphism01_2.0.exeModule: 790c1000 (mscorlib.dll)--------------------------------------Module: 00af2c5c (Polymorphism01_2.0.exe)

根据模块查找方法表:
!DumpModule -mt 00af2c5c

• 先分别看下 BaseClass BrotherClass DerivedOfBrotherClass 这3个继承关系类的方法表(MethodTable)

可以看到第一个虚方法(ToString)的入口都是在方法表偏移28h的位置,其顺序是先父类,再子类,这样的安排让所有同一个家族(继承关系)的类型继承虚方法的顺序是一样的,并且偏移量是一样的,所有的类型(除了接口类型)的父类都是(或者间接是)System.Object,所以前4个虚方法肯定是Object里的4个虚方法(ToString Equals GetHashCode Finalize)

通过Program 的方法表(MethodTable)找到Main方法的入口地址:
!DumpMT -md 00af302c

0:004> !DumpMT -md 00af302cEEClass: 00af12f4Module: 00af2c5cName: ProgrammdToken: 02000002  (E:\temp\Polymorphism01_2.0.exe)BaseSize: 0xcComponentSize: 0x0Number of IFaces in IFaceMap: 0Slots in VTable: 6--------------------------------------MethodDesc TableEntry MethodDesc      JIT Name79286aa0   79104960   PreJIT System.Object.ToString()79286ac0   79104968   PreJIT System.Object.Equals(System.Object)79286b30   79104998   PreJIT System.Object.GetHashCode()792f76d0   791049bc   PreJIT System.Object.Finalize()00afc015   00af3024     NONE Program..ctor()01010070   00af3018      JIT Program.Main(System.String[])

Main方法已经Jit编译,看看被编译成啥样子:
!u 01010070

• 这里最重要的几行:

  01010139 8b4df8 mov ecx,dword ptr [ebp-8] // 这里是BaseClass实例对象的地址 放到 ecx寄存器,Jit采用类似fastcall的调用协定,前2个不大于4字节的参数用 ecx edx来传递,而实例方法的调用第一个参数是隐含的this指针(托管对象在托管堆上的地址),如果是静态方法就不需要传this pointer了0101013c 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // 托管堆上的对象(值类型装箱后也是一样)第一个4字节(64位8字节)是对象的方法表地址(MethodTable),这里是把方法表(MethodTable)地址赋给eax寄存器0101013e ff5038 call dword ptr [eax+38h] // 这里就是实际的方法调用 上面说了 第一个虚方法在方法表的偏移28h位置,前4个是Object里的4个虚方法,所以 VirtualFun1 的入口在方法表地址(MT) + 28h + 4×4字节 也就是偏移38h的位置01010141 90 nop01010142 8b4df4 mov ecx,dword ptr [ebp-0Ch] // 这里是 ChlidClass的对象地址赋给ecx01010145 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // 同样ChlidClass的方法表地址赋给eax01010147 ff5038 call dword ptr [eax+38h] // 调用ChlidClass方法表偏移38h的方法,也是VirtualFun1 方法0101014a 90 nop0101014b 8b4df0 mov ecx,dword ptr [ebp-10h] // BrotherClass的对象地址赋给ecx0101014e 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // BrotherClass方法表地址赋给eax01010150 ff5038 call dword ptr [eax+38h] // 调用BrotherClass方法表偏移38h的方法,也是VirtualFun1 方法01010153 90 nop01010154 8b4dec mov ecx,dword ptr [ebp-14h] // DerivedOfBrotherClass的对象地址赋给ecx01010157 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // DerivedOfBrotherClass方法表地址赋给eax01010159 ff5038 call dword ptr [eax+38h] // 调用DerivedOfBrotherClass方法表偏移38h的方法,也是VirtualFun1 方法0101015c 90 nop0101015d 8b4dec mov ecx,dword ptr [ebp-14h] // 还是DerivedOfBrotherClass对象地址01010160 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // DerivedOfBrotherClass的方法表赋给eax01010162 ff503c call dword ptr [eax+3Ch] // 这次偏移不一样了,第6个方法 VirtualFun2 (28h+5×4字节)01010165 90 nop01010166 8b4de8 mov ecx,dword ptr [ebp-18h] // 还是DerivedOfBrotherClass对象地址01010169 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // DerivedOfBrotherClass的方法表赋给eax0101016b ff5040 call dword ptr [eax+40h] // 这次偏移又不一样了,第7个方法 VirtualFun3 (28h+6×4字节)

• 可以看到 继承多态在CLR运行时的实现是通过方法表的偏移 间接调用的,而方法表内继承虚方法的构建顺序是先父类再子类,由于.NET是单一继承,这样就确保了在同一家族的同一虚方法的偏移量是一样的.

• 接下来用Framework 4.0 编译下源码,4.0 和2.0相比 在实现上多了一层间接寻址,但思路是一样的

%windir%\Microsoft.NET\Framework\v4.0.30319\csc.exe /debug /target:exe /out:e:\temp\Polymorphism01_4.0.exe e:\temp\Polymorphism01.cspause

• 运行 Polymorphism01_4.0.exe

• 启动windbg 附加进程 加载SOS (这里要加载对于4.0的sos.dll)

• 直接查找Main方法:
  !Name2EE Polymorphism01_4.0.exe Program.Main

0:004> !Name2EE Polymorphism01_4.0.exe Program.MainModule:      00b32ea4Assembly:    Polymorphism01_4.0.exeToken:       06000001MethodDesc:  00b33838Name:        Program.Main(System.String[])JITTED Code Address: 033a0070

• 看Main方法的区别:!u 033a0070
  这里只截取最重要的一段,调用构造器和其他的部分都先忽略

  ...e:\temp\Polymorphism01.cs @ 16:033a0139 8b4df8 mov ecx,dword ptr [ebp-8] // 这个还是一样BaseClass对象的地址赋给ecx033a013c 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // 还是对象的第一个4字节是方法表地址 赋给eax033a013e 8b4028 mov eax,dword ptr [eax+28h] // 这里是和2.0的区别 所有继承的虚方法的起始地址保存在方法表偏移28h的位置,也就是偏移量不是从方法表地址开始算了033a0141 ff5010 call dword ptr [eax+10h] // 这里的方式一样的 eax是虚方法的起始位置了,前4个是Object的4个虚方法,偏移10h是第5个方法 VirtualFun1033a0144 90 nope:\temp\Polymorphism01.cs @ 17:033a0145 8b4df4 mov ecx,dword ptr [ebp-0Ch] // ChlidClass对象地址赋给ecx033a0148 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // ChlidClass方法表地址赋给eax033a014a 8b4028 mov eax,dword ptr [eax+28h] // 虚表入口地址赋给eax033a014d ff5010 call dword ptr [eax+10h] //还是偏移到第5个方法 VirtualFun1033a0150 90 nope:\temp\Polymorphism01.cs @ 18:033a0151 8b4df0 mov ecx,dword ptr [ebp-10h] // BrotherClass对象地址赋给ecx033a0154 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // BrotherClass方法表地址赋给eax033a0156 8b4028 mov eax,dword ptr [eax+28h] // 虚表入口地址赋给eax033a0159 ff5010 call dword ptr [eax+10h] //还是偏移到第5个方法 VirtualFun1033a015c 90 nope:\temp\Polymorphism01.cs @ 19:033a015d 8b4dec mov ecx,dword ptr [ebp-14h] // DerivedOfBrotherClass对象地址赋给ecx033a0160 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // DerivedOfBrotherClass方法表地址赋给eax033a0162 8b4028 mov eax,dword ptr [eax+28h] // 虚表入口地址赋给eax033a0165 ff5010 call dword ptr [eax+10h] //还是偏移到第5个方法 VirtualFun1033a0168 90 nope:\temp\Polymorphism01.cs @ 20:033a0169 8b4dec mov ecx,dword ptr [ebp-14h] // 上面同一个对象033a016c 8b01 mov eax,dword ptr [ecx]033a016e 8b4028 mov eax,dword ptr [eax+28h]033a0171 ff5014 call dword ptr [eax+14h] // 这里比上面的调用多偏移了4个字节 也就是第6个方法 VirtualFun2033a0174 90 nope:\temp\Polymorphism01.cs @ 21:033a0175 8b4de8 mov ecx,dword ptr [ebp-18h] // 和上面不是同一个对象地址,但是是实例化同样类型的对象033a0178 8b01 mov eax,dword ptr [ecx]033a017a 8b4028 mov eax,dword ptr [eax+28h]033a017d ff5018 call dword ptr [eax+18h] // 这里比上面的调用再多偏移了4个字节 也就是第7个方法 VirtualFun3033a0180 90 nop...

• .NET 4.0 比2.0 多了一次间接寻址,就是先偏移到虚表的入口,再从这个入口开始偏移到相应的方法,这样的好处(个人觉得)虚表的存储位置可以更灵活 如果方法表(MT)包含多个可变长结构也没问题 只要入口地址保存在偏移28h的位置即可

参考文档：

https://www.microsoft.com/china/MSDN/library/netFramework/netframework/JITCompiler.mspx?mfr=true
http://www.codeproject.com/Articles/20481/NET-Type-Internals-From-a-Microsoft-CLR-Perspecti
http://blogs.microsoft.co.il/sasha/2012/03/15/virtual-method-dispatch-and-object-layout-changes-in-clr-40/
http://www.cnblogs.com/BlueTzar/articles/884694.html

相关文章：

• CLR运行时细节 - Method Descriptor

原文地址：https://espider.github.io/CLR/inheritance-polymorphism/

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