6.6.1 CLR如何调用虚方法、属性和事件

6.6.1  CLR如何调用虚方法、属性和事件

本节将讨论方法，但是本节中的讨论也与虚属性(virtual property)和虚事件(virtual event)相关。属性和事件实际上是作为方法实现的，这将在相应的章节进行示范。

方法表示在类型(静态方法)或者类型的实例(非静态方法)上执行操作的代码。所有的方法都有名称、签名和返回值(可能为void)。CLR允许类型定义多个名称相同的方法，只要这些方法具有不同的参数集或者不同的返回值。因此可以定义两个具有相同名称、相同参数的方法，只要这两个方法的返回值类型不同。但是，除了IL汇编语言外，好像没有其他语言具有该“特征”，大多数语言(包括C#语言在内)在确定惟一性时，要求方法的参数不同，而忽略方法返回值的类型。(C#在定义转换操作符方法时实际上放松了此限制，详见第8章的介绍。)
下面示范的Employee类定义了3个不同种类的方法：

internal class Employee {
//非虚实例方法
    public Int32 GetYearsEmployed() { ... }

    //虚方法(虚拟隐含着实例)
    public virtual String GenProgressReport() { ... }

    //静态方法
    public static Employee Lookup(String name) { ... }
} 

当编译器编译上述代码时，编译器在最后得到的程序集的方法定义表中写入三个条目，每个条目都有一个标记来表明方法是实例、虚的还是静态的。

所编写的代码调用这些方法时，编译器生成的调用代码检查方法定义的标记，以此来确定如何生成正确的IL代码，以便正确进行调用。CLR为方法的调用提供了以下两个IL指令：

IL指令call可以用来调用静态方法、实例方法和虚方法。使用call指令调用静态方法时，必须指定CLR要调用的方法的类型。使用call指令调用实例方法或者虚方法时，必须指定变量来引用对象。call指令假定变量不为null，换句话说，也就是变量本身的类型指出了用什么类型定义CLR要调用的方法。如果变量的类型没有定义方法，则检查基础类型来匹配方法。指令call通常用来非虚拟地调用虚方法。

IL指令callvirt用来调用实例方法和虚方法，而不能调用静态方法。使用callvirt指令调用实例方法或者虚方法时，必须指定变量来引用对象。使用IL指令callvirt指令调用非虚实例方法时，变量的类型指出了用什么类型定义CLR要调用的方法。使用IL指令callvirt调用虚实例方法时，CLR查找用来调用的对象的实际类型，然后多形式地调用方法。为了决定类型，用来调用的变量通常不能为null，换句话说，也就是编译该调用时，JIT编译器生成验证变量是否为null的代码，如果变量为null，callvirt指令引发CLR抛出一个NullReferenceException异常。这种额外的检查意味着IL指令callvirt的执行速度比call指令稍慢。注意，即使callvirt指令用来调用非虚实例方法时，也要执行这种变量是否为null的检查。

现在，我们将这两个调用指令放在一起，看看C#是如何使用这两个不同的IL指令的：

using System; 
 
public sealed class Program{ 
    public static void Main(){ 
        Console.WriteLine();//调用一个静态方法
 
        Object o = new Object(); 
        o.GetHashCode();//调用一个虚实例方法
        o.GetType();//调用一个非虚实例方法
    } 
}

编译上述代码，查看最后得到的IL代码，结果如下所示：

.method public hideby sigstatic void Main() cil managed{ 
   .entrypoint 
   //代码大小 26(0x1a) 
   .maxstack 1 
   .locals init(objectV_0) 
   IL_0000: call void System.Console::WriteLine() 
   IL_0005: newobj instance void System.Object::.ctor() 
   IL_000a: stloc.0 
   IL_000b: ldloc.0 
   IL_000c: callvirt instance int32 System.Object::GetHashCode() 
   IL_0011: pop 
   IL_0012: ldloc.0 
   IL_0013: callvirt instance class System.Type System.Object::GetType() 
   IL_0018: pop 
   IL_0019: ret 
}//Program::Main方法结束

首先注意，C#编译器使用IL指令call调用Console的WriteLine方法，这与期望是相符的，因为WriteLine方法是静态方法。接着注意，C#编译器使用IL指令callvirt调用GetHashCode方法，这也与期望相符，因为GetHashCode方法是虚方法。最后注意，C#编译器同样使用IL指令callvirt调用GetType方法，这令人惊讶，因为GetType方法不是虚方法。但是，该调用可以正常调用，这是因为JIT编译上述代码时，CLR知道GetType方法不是虚方法，因此，JIT编译的代码自然将以非虚的方式调用GetType方法。

当然，问题在于，为什么C#编译器只生成call指令，而不是其他指令呢？答案就是因为C#的工作组决定JIT编译器应生成验证所使用的对象的代码，以确定调用不为null。这意味着对非虚的实例方法的调用要比其应有的运行速度稍慢一点，同样这也意味着下面的C#代码将抛出一个NullReferenceException异常。在其他一些编程语言中，下述代码将正确运行。

using System; 
 
public sealed class Program{ 
    public Int32 GetFive(){return5;} 
    public static void Main(){ 
        Program p = null; 
        Int32 x = p.GetFive();//在C#中，会抛出一个NullReferenceException异常
    } 
}

从理论上讲，上述代码运行良好。的确，变量p为null，但是当调用非虚方法(如GetFive)时，CLR仅需要了解p的数据类型(p的数据类型为Program)。如果确实调用了GetFive方法，this参数的值将为null。因为GetFive方法中没有使用这个参数，因此不会抛出NullReferenceException异常。但是，因为C#编译器生成了一个callvirt指令，而不是生成了一个call指令，所以上述代码将抛出一个NullReferenceException异常并结束。

 重要提示 如果将某个方法定义为非虚拟的，那么，将来永远不能将方法改为虚拟的。这是因为某些编译器会使用call指令而不是callvirt指令来调用非虚拟的方法。如果将方法从非虚拟的改为虚拟的，而且没有重新编译所涉及的代码，那么虚方法将被非虚拟地调用，致使应用程序产生无法预测的行为。如果所涉及的代码是用C#编写的，这就不是一个问题了，因为C#使用callvirt指令调用所有的实例方法。但是，如果所涉及的代码使用了不是C#的其他编程语言，这将产生问题。

有时，编译器会使用call指令代替callvirt指令来调用虚方法。起初这可能会令人惊讶，但是下述代码将说明为什么有时需要这么做：

internal class SomeClass {
    //ToString是一个定义在基类Object中的虚方法
    public override String ToString() {
    //编译器使用IL指令'call'以非虚拟的方式调用object的ToString方法

    //如果编译器用'callvirt'指令取代'call'指令,那么该方法将递归地调用其本身，直至堆栈溢出
    return base.ToString();
    }
} 

调用虚方法base.ToString时，C#编译器生成一个call指令来确保非虚拟地调用基础类型中的ToString方法。需要这样做的原因在于：如果虚拟地调用ToString方法，那么调用将会递归执行，直至线程的堆栈溢出，这明显不是希望的结果。

编译器在调用值类型定义的方法时倾向于使用指令call，因为值类型是密封的。这意味着即使对于虚方法，也不存在多态，这将改善调用的性能，使调用速度更快。另外，值类型实例的本质保证了它永远不为null，因此永远不会抛出NullReferenceException异常。最后，如果虚拟地调用值类型的虚方法，那么，CLR为了在其内部引用方法表，需要引用值类型的类型对象，这需要对值类型进行装箱(boxing)。装箱给堆栈增加了更多的压力，强制进行更频繁的垃圾收集，使性能受到影响。

无论是否使用call指令和callvirt指令来调用实例方法或者虚方法，这些方法通常接收一个隐藏的this参数作为方法的第一个参数。this参数引用要进行操作的对象。

在设计类型的过程中，应尽量减小所定义的虚方法的数量。首先，调用虚方法的速度比调用非虚方法的速度要慢；其次，JIT编译器不能内联虚方法，这进一步影响了性能；第三，虚方法使组件的版本控制更脆弱，详见下节描述；第四，在定义基础类型时，通常需要提供一组有用的重载方法，如果希望这些方法是多态的，那么最好的办法就是将最复杂的方法虚拟化，而将所有有用的重载方法非虚拟化。附带提一下，遵循该原则同样会改善组件的版本控制能力，而不会影响派生类型的性能。下面给出示例：

public class Set {
    private Int32 m_length = 0;

    //这个有用的重载是非虚拟的
    public Int32 Find(Object value) {
        return Find(value, 0, m_length);
    }

    //这个有用的重载是非虚拟的
    public Int32 Find(Object value, Int32 startIndex) {
        return Find(value, 0, m_length);
    }
    //功能最丰富的方法是虚拟的，它可以被重写
    public virtual Int32 Find(Object value, Int32 startIndex, Int32 endIndex) {
        //重写的实际实现在此实现…
    }

    //其他方法在此实现
}