Delphi接口的底层实现.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流Delphi接口的底层实现.精品文档.Delphi接口的底层实现引言 接口是面向对象程序语言中一个很重要的元素，它被描述为一组服务的集合，对于客户端来说，我们关心的只是提供的服务，而不必关心服务是如何实现的；对于服务端的类来说，如果它想实现某种服务，实现与该服务相关的接口即可，它也不必与使用服务的客户端进行过多的交互。这种良好的设计方式已经受到很广泛的应用。 早在Delphi 3的时候就引入了接口的概念，当时完全是因为COM的出现而诞生的，但经过这么多版本的进化，Delphi的接口已经成为Object Pascal语言的一部分，我们完全可以用

2、接口来完成我们的设计，而不用考虑与COM相关的东西。 那么接口在Delphi中是如何实现的呢，很多人想得很复杂，其实它的本质不过也是一些简单的数据结构和调用规则。笔者假设读者已经有接口的使用经验，本文试图向你展示接口在Delphi中的实现过程，使你在使用接口的时候，知其然而知其所以然。接口在内存中的分布 接口在概念上并不是一个实体，它需要与实现接口的类关联，如果脱离了这些类，接口就变得没有意义了。但接口在内存中仍然有其布局，它依附在对象的内存空间中。 Delphi对象本质上是一个指向特定内存空间的指针，这块内存的前四个字节是一个指针指向类的VMT表，接下来排布对象的数据成员，如果对象实现了接口

3、，则在后面又排着一系列指针，我们可以认为这些指针就是对应的接口，每个指针就指向一个接口方法表。我们来看一下简单的例子：typeITest1=interface5347BB0D-89B7-4674-A991-5C527BE6F8A8procedureSayHello1;end;ITest2=interface567B86BB-711D-40C2-8E5E-364B742C2FF1procedureSayHello2;end;TTest=class(TInterfacedObject,ITest1,ITest2)publicprocedureSayHello1;procedureSayHello2

4、;end;.implementationTTestprocedureTTest.SayHello1;begin showMessage(IntToStr(FRefCount); ShowMessage(Itest1sayhello);end;procedureTTest.SayHello2;beginShowMessage(IntToStr(FRefCount);ShowMessage(Itest2sayhello);end;end.上面是两个接口的声明以及一个实现接口的类，TTest类在内存中的分布可以用下图来表示：其中FRefCount为父类TInterfacedObject的一个成员，接

5、下来存放的是TInterfacedObject实现的接口IInterface，再下来分别是TTest类实现的ITest2和ITest1指针。各个接口指针分别指向各自的方法表，注意ITest2和ITest1是从IInterface继承下来的，所以自然就有了IInterface的所有方法。方法表中每个指针指向方法真正实现的地方，其实这个说法只是暂时的，稍后会解释方法表中的指针真正指向的地方，并说明其原因。 上面的内存分布并非笔者随意想出来的，而是经过多次测试证实的，下面我们用一些代码来证实上面分布图：var test: Itest2;begin test := TTest.Create; test

6、.SayHello2;end;在证明接口的内存布局之前，需要了解接口的变量是个什么东西，比如上面的test是什么，它的本质上是一个指针，在没有被赋值之前，它指向空；而得到对象的赋值之后，它指向上面分布图中的Itest2处，对于同一个对象的多个接口变量来说，它们的“值”不一定是相等的，比如有下面的代码：Var Test1: ITest1; Test2: ITest2; Test: TTest;Begin Test := Ttest.Create; Test1 := Test; Test2 := Test; If Integer(Test1) Integer(Test2) then ShowMes

7、sage(it is not eqeual);End;最后，会弹出一个对话框，说明Test1和Test2是不相等的；只有属性同一种接口类型，这两个变量才会相等，比如Test1和Test2都是Iinterface，则他们的“值”是相等的。好了，回过头来看看之前的代码片段吧，在第4行设置断点，运行程序并使上面代码执行，程序执行到断点处中止，按下Ctrl+Alt+C调用CPU窗口,可以看到下面的反汇编代码：Unit1.pas.49: test := TTest.Create;mov dl,$01mov eax,$00458e0c; eax指向VMT的地址call TObject.Create; 创建

8、TTest对象，eax指向TTest对象的首地址mov edx,eax; edx指向eax指向的地方，edx也指向TTest对象的首地址test edx,edx; 测试TTest对象是否有效jz +$03sub edx,-$0c; 对象首地址偏移12个字节，到ITest2指针处lea eax,ebp-$04; test变量的地址是ebp-04的值，eax指向这个地址call IntfCopy; 调用IntfCopy，将edx的值拷贝给eax，引用计数管理Unit1.pas.50: test.SayHello2;mov eax,ebp-$04; 将test指向的地址赋给eax,此时eax指向It

9、est2的地址mov edx,eax; 将eax的内容赋给edx，此时edx指向ITest2指向的方法表call dword ptr edx+$0c; 调用ITest2指向的方法表偏移12个字节处。ret sub edx,-$0c这一句，edx原来指向对象的内存空间，偏移12个字节刚好到哪里呢？刚好到ITest2接口指针处。接下来eax指向Test变量在栈中的地址，此时如果直接将edx赋值给eax在逻辑上也没有错，但这样就不能对接口进行引用计数的管理了。因此要调用IntfCopy，进行接口地址的赋值，再加上一个引用计数。 IntfCopy其实是调用System单元中的_IntfCopy，它的实

10、现如下：procedure_IntfCopy(varDest:IInterface;constSource:IInterface);$IFDEFPUREPASCALvarP:Pointer;beginP:=Pointer(Dest);/保存Dest，无引用计数ifSourcenilthenSource._AddRef;/增加Source的引用计数，即增加ITest2的引用计数Pointer(Dest):=Pointer(Source);/将Source的值赋给Dest，无引用计数ifPnilthenIInterface(P)._Release;/减少目标接口的引用计数，但这里的P为空指针，所以

11、不会调用这句end; 此时的Dest参数是eax，亦即Test变量的地址，Source参数是edx，正好是对象内容空间中的ITest2的地址。我们看到其中只是对接口地址的拷贝，及增加接口的引用计数。如果Dest有内容，则减少它的引用计数，不过这里Dest为空，所以不会调用减少引用计数的代码。 接下来到call dword ptr edx+$0c，edx指向ITest2指向的方法表首地址，而edx+$0c偏移到哪里呢，看看上面的内存图，正好到ISayHello2处。此时调用ISayHello2指向地址的代码，我们可以简单地认为就是调用TTest.SayHello2。但事实上却不是这样的，为什么？

12、因为在调用SayHello2之前，要先指定eax的值为TTest对象的Self指针，以此作为隐含参数传进SayHello2。 我们可以到edx+$0c的地址看看，按F8将执行点执行到call dword ptr edx+$0c这一句，再按F7，跳到edx+$0c的地址，可以看到下面的反汇编代码：add eax,-$0c; eax向上偏移12个字节正好是对象内存首地址。jmp TTest.SayHello2； 跳到TTest.SayHello2处。 仔细看前面的汇编码，可以知道eax正好指向ITest2指针，向上偏移12个字节则好就到了对象内存的首地址。接着调用TTest.SayHello2完成

13、。 通过上面的例子，不仅证明了接口在对象内存空间中的布局，还可以得出以下结论：1. 一个实现特定接口的对象创建完之后赋给该接口，编译器作了一些工作，使得接口变量指向了对象内存中的某个特定地址。2. 调用接口的方法时，实际上调用的是接口方法表中特定的地址，在该地址处编译器计算出实现该接口的对象内存首地址，再调用对象相应的方法。接口内存空间的形成 上节说明了接口在对象内存空间中的分布，但对象内存空间是在运行时生成的，那么接口的内存空间是如何生成的呢，这一节将阐述之。 在此之前，让我们再回到上面的对象内存图，对象内存的首地址是一个指针，指向一张VMT表，而Delphi的类其实也是一个指针，这个指针正

14、好也指向VMT表。类是在编译时就确定下来的，VMT表当然也是编译器生成的。 VMT表在负偏移vmtIntfTable（-72）字节处是一个指针，它指向下面的数据结构：PInterfaceTable = TInterfaceTable;TInterfaceTable = packed record EntryCount: Integer; Entries: array0.9999 of TInterfaceEntry;end;EntryCount表示对象实现的接口数。Entries是一个指向TInterfaceEntry结构的数组，TInterfaceEntry表示了一个接口的进入点，它的声明如

15、下：PInterfaceEntry = TInterfaceEntry;TInterfaceEntry = packed record IID: TGUID; VTable: Pointer; IOffset: Integer; ImplGetter: Integer;end;IID表示接口的GUID，如果接口没有指定GUID，则它里面的值全为0。VTable指向接口的方法表。IOffset指明接口与对象首地址的偏移。ImplGetter是一个方法指针，当IOffset不可用时指向接口的地址，一般不用，初始化为0。 上面的数据结构在编译期就生成了，那么当一个对象创建时，相应的接口内存是如何生成

16、的呢。在对象创建完毕之后，会调用TObejct.InitInstance(Instance: Pointer)类方法初始化对象的数据。看其代码：classfunctionTObject.InitInstance(Instance:Pointer):TObject;$IFDEFPUREPASCALvarIntfTable:PInterfaceTable;ClassPtr:TClass;I:Integer;begin/将对象全部清0FillChar(Instance,InstanceSize,0);/指定首地址为Self，即指向VMT的指针PInteger(Instance):=Integer(S

17、elf);ClassPtr:=Self;/建立对象的接口内存分布whileClassPtrnildobegin/取得接口表IntfTable:=ClassPtr.GetInterfaceTable;ifIntfTablenilthenforI:=0toIntfTable.EntryCount-1dowithIntfTable.EntriesIdobeginifVTablenilthen/对象偏移IOffset处，设定为指向VTable的指针PInteger(PChar(Instance)IOffset):=Integer(VTable);end;/继续建立其父类的接口内存内存ClassPtr:

18、=ClassPtr.ClassParent;end;Result:=Instance;end;我们看PInteger(PChar(Instance)IOffset):=Integer(VTable)这一句，PChar(Instance)IOffset是对象偏移IOffset的地址，而IOffset是IntfTable.EntriesI的IOffset，这个值在编译期就指定了，是接口到对象的偏移值。所以，经过上面方法调用之后，对象的内存空间就如同前面所画一样了。 现在我们对接口在内存的来龙去脉已经了如指掌，可以利用这些知识来实现一些非常的功能了。在我们的经验中，对象生成之后可以直接赋给一个接口，

19、编译器会自动将指针偏移到接口处。但如果反过来，将一个接口赋给一个对象却是不允许的，因为信息不足啊，任何类都可以实现这个接口，编译器并不知道这个接口是由那个类实现的，所以就无从转换了。如果我们提供一个现实该接口的类，再根据该类的VMT中的接口信息，就可以得到IOffset了，如此一来不就可以偏移到对象的首地址了吗，下面的例程可以从一个接口得到实现该接口的对象，前提是必须提供实现这个接口的类：functionGetObjFromIntf(AClass:TClass;constIntf:IInterface):TObject;varPIntfTable:PInterfaceTable;IntfEnt

20、ry:TInterfaceEntry;i:Integer;beginResult:=nil;/取得接口表结构PIntfTable:=AClass.GetInterfaceTable;ifPIntfTable=nilthenExit;whileAClassnildobeginfori:=0toPIntfTable.EntryCount-1dobeginIntfEntry:=PIntfTable.Entriesi;/判断接口表指向的地址是否和传入接口指向的地址相同ifPPointer(Intf)=IntfEntry.VTablethenbegin/偏移到对象首地址Result:=TObject(I

21、nteger(Intf)-IntfEntry.IOffset);Exit;end;end;/继续在父类中找AClass:=AClass.ClassParent;end;end;看下面例子：varIntf:Itest2;Obj:TTest;beginIntf:=TTest.Create;Intf.SayHello2;Obj:=TTest(GetObjFromIntf(TTest,Intf);Obj.SayHello1;end;执行上面代码，先弹出Hello2的对话框，再弹出Hello1的对象，说明GetObjFromIntf函数执行成功，我们实现了从接口到对象的转换过程。接口的引用计数 上面接口

22、的内存空间与COM的接口在二进制上是兼容的，即接口就是一个指向VTable的指针，与COM兼容的还有另一个特性，就是通过引用计数自动管理COM对象的生命周期。C+程序员必须手工去管理引用计数的增减，而Delphi编译器帮我们做了这些事情，因为引用计数是有规律，只要遵循这些规律，便能自动管理引用计数的增减。IInterface的声明如下：IInterface = interface 00000000-0000-0000-C000-000000000046function QueryInterface(const IID: TGUID; out Obj): HResult; stdcall;fun

23、ction _AddRef: Integer; stdcall;function _Release: Integer; stdcall;end;任何实现IInterface的类都必须实现上面三个方法，其中的_AddRef和_Release就是实现引用计数管理的。Delphi提供了IInterfaceObject类默认实现Interface，它声明一个成员FRefCount: Integer指定引用计数，_AddRef被调用时只是将FRefCount增1：Result := InterlockedIncrement(FRefCount);_Release被调用时，减少FRefCount，如果FR

24、efCount为0时，即调用Destroy消毁自己： Result := InterlockedDecrement(FRefCount); if Result = 0 then Destroy; 如果即想实现接口，而不想通过引用计数管理生命周期的，可以在AddRef和Release中简单地将结果返回为-1即可，TComponent类即是如此。 那么Delphi是如何实现接口引用计数的管理的呢，有下面的规律：1. 当一个非空的接口变量要赋值给另一个接口变量时，非空的接口变量应该要调用AddRef。2. 当一个非空的接口变量要被另一个接口变量赋值时，非空的接口变量应该要调用Release。3. 如

25、果你对于接口的引用计数有足够了解的话，有些AddRef和Release可以被优化掉。对于第一种情况，在上节中已经有描述，看_CopyIntf的代码。对于第二种情况，在有接口变量声明及应用的例程中，编译器会在例程结束处调用_IntfClear，代码如下：function_IntfClear(varDest:IInterface):Pointer;$IFDEFPUREPASCALvarP:Pointer;beginResult:=Dest;ifDestnilthenbeginP:=Pointer(Dest);/先保存接口Pointer(Dest):=nil;/将接口清空IInterface(P).

26、_Release;/调用原接口方法，减少引用计数end;end;由上可见，我们不能随意调用_AddRef和_Release，不然将会打乱接口的引用计数，像上面的代码，只是调用了一下_Release，如果对象的引用计数不为0，则它是不会被释放的。 关于接口的引用计数，交给编译器去管理就行了，我们只要遵循一些规则，就可以灵活地使用接口进行程序的设计了。接口的转换 接口的另一个特性是：被一个类所实现的多个接口应该是可以互相转换的。方法是调用QueryInterface(const IID: TGUID; out Obj): HResult; 对于这个特性的实现，我不想在这里罗嗦，实际上只要理解了第一部分和第二部分，这个特性是很容易推断出怎样实现的，更何况源代码就在那儿，何不给自己一个练习的机会呢？