CLR运行时细节 - 继承多态的实现

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:

1 2	%windir%\Microsoft.NET\Framework\v2.0.50727\csc.exe /debug /target:exe /out:e:\temp\Polymorphism01_2.0.exe e:\temp\Polymorphism01.cs pause

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.exe
Module: 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)

BaseClass MethodTable

BrotherClass MethodTable

DerivedOfBrotherClass 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 00af302c
EEClass: 00af12f4
Module: 00af2c5c
Name: Program
mdToken: 02000002  (E:\temp\Polymorphism01_2.0.exe)
BaseSize: 0xc
ComponentSize: 0x0
Number of IFaces in IFaceMap: 0
Slots in VTable: 6
--------------------------------------
MethodDesc Table
Entry MethodDesc      JIT Name
79286aa0   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 nop

01010142 8b4df4 mov ecx,dword ptr [ebp-0Ch] // 这里是 ChlidClass的对象地址赋给ecx

01010145 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // 同样ChlidClass的方法表地址赋给eax

01010147 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 nop

0101014b 8b4df0 mov ecx,dword ptr [ebp-10h] // BrotherClass的对象地址赋给ecx

0101014e 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // BrotherClass方法表地址赋给eax

01010150 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 nop

01010154 8b4dec mov ecx,dword ptr [ebp-14h] // DerivedOfBrotherClass的对象地址赋给ecx

01010157 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // DerivedOfBrotherClass方法表地址赋给eax

01010159 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 nop

0101015d 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eax

01010162 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 nop

01010166 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eax

0101016b 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.cs

pause

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.Main

Module: 00b32ea4

Assembly: Polymorphism01_4.0.exe

Token: 06000001

MethodDesc: 00b33838

Name: 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ecx

033a013c 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eax

033a013e 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 VirtualFun1

033a0144 90 nop

e:\temp\Polymorphism01.cs @ 17:

033a0145 8b4df4 mov ecx,dword ptr [ebp-0Ch] // ChlidClass对象地址赋给ecx

033a0148 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // ChlidClass方法表地址赋给eax

033a014a 8b4028 mov eax,dword ptr [eax+28h] // 虚表入口地址赋给eax

033a014d ff5010 call dword ptr [eax+10h] //还是偏移到第5个方法 VirtualFun1

033a0150 90 nop

e:\temp\Polymorphism01.cs @ 18:

033a0151 8b4df0 mov ecx,dword ptr [ebp-10h] // BrotherClass对象地址赋给ecx

033a0154 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // BrotherClass方法表地址赋给eax

033a0156 8b4028 mov eax,dword ptr [eax+28h] // 虚表入口地址赋给eax

033a0159 ff5010 call dword ptr [eax+10h] //还是偏移到第5个方法 VirtualFun1

033a015c 90 nop

e:\temp\Polymorphism01.cs @ 19:

033a015d 8b4dec mov ecx,dword ptr [ebp-14h] // DerivedOfBrotherClass对象地址赋给ecx

033a0160 8b01 mov eax,dword ptr [ecx] // DerivedOfBrotherClass方法表地址赋给eax

033a0162 8b4028 mov eax,dword ptr [eax+28h] // 虚表入口地址赋给eax

033a0165 ff5010 call dword ptr [eax+10h] //还是偏移到第5个方法 VirtualFun1

033a0168 90 nop

e:\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 VirtualFun2

033a0174 90 nop

e:\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 VirtualFun3

033a0180 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