C# 的 Delegate Type


C# 的 Delegate Type
Delegate 是一种函数指针,但与普通的函数指针相比,区别主要有三:

1) 一个 delegate object 一次可以搭载多个方法(methods)[译注1],而不是一次一个。当我们唤起一个搭载了多个方法(methods)的 delegate,所有方法以其“被搭载到 delegate object 的顺序”被依次唤起。

2) 一个 delegate object 所搭载的方法(methods)并不需要属于同一个类别。一个 delegate object 所搭载的所有方法(methods)必须具有相同的原型和形式。然而,这些方法(methods)可以即有 static 也有 non-static,可以由一个或多个不同类别的成员组成

3) 一个 delegate type 的声明在本质上是创建了一个新的 subtype instance,该 subtype 派生自 .NET library framework 的 abstract base classes Delegate 或 MulticastDelegate,它们提供一组 public methods 用以询访 delegate object 或其搭载的方法(methods)

声明 Delegate Type
一个 delegate type 的声明一般由四部分组成:(a) 访问级别;(b) 关键字 delegate;(c)返回型别,以及该 delegate type 所搭载之方法的声明形式(signature);(d) delegate type 的名称,被放置于返回型别和方法的声明形式(signature)之间。例如,下面声明了一个 public delegate type Action,用来搭载“没有参数并具有 void 返回型别”的方法:

public delegate void Action();

一眼看去,这与函数定义惊人的相似;唯一的区别就是多了 delegate 关键字。增加该关键字的目的就在于:要通过关键字(keyword)——而非字元(token)——使普通的成员函数与其它形似的语法形式区别开来。这样就有了 virtual,static, 以及 delegate 用来区分各种函数和形似函数的语法形式。

如果一个 delegate type 一次只搭载单独一个方法(method),那它就可以搭载任意返回型别及形式的成员函数。然而,如果一个 delegate type 要同时搭载多个方法(methods),那么返回型别就必须是 void.例如,Action 就可以用来搭载一个或者多个方法(method)。

定义 Delegate Handle
在 C# 中我们无法声明全局对象;每个对象定义必须是下述三种之一:局部对象;或者型别的对象成员;或者函数参数列表中的参数。现在我只向你展示 delegate type 的声明。之后我们再来看如何将其声明为类别中的成员。

C# 中的 delegate type 与 class, interface, 以及 array types 一样,属于 reference type。每个 reference type 被分为两部分:

一个具名的 句柄(named handle),由我们直接操纵;以及
一个该句柄所属型别的不具名对象(unamed object),由我们通过句柄间接进行操纵。必须经由 new 显式的创建该对象。
定义 reference type 是一个“两步走”的过程。当我们写:

Action theAction;

的时候,theAction 代表“delegate type Action 之对象”的一个 handle(句柄),其本身并非 delegate object。缺省情况下,它被设为 null。如果我们试图在对其赋值(译注:assigned,即与相应型别的对象做attachment)之前就使用它,会发生编译期错误。例如,语句:

theAction();

会唤起 theAction 所搭载的方法(method(s))。然而,除非它在定义之后、使用之前被无条件的赋值(译注:assigned,即与相应型别的对象做attachment),否则该语句会引发编译期错误并印出相关信息。

为 Delegate Object 分配空间
在这一节中,为了以最小限度的涉及面继续进行阐述,我们需要访问一个静态方法(static method)和一个非静态方法(non-static method),就此我采用了一个 Announce class。该类别的 announceDate 静态方法(static method)以 long form 的形式(使用完整单字的冗长形式)打印当前的日期到标准输出设备:

Monday, February 26, 2001

非静态方法(non-static method) announceTime 以 short form 的形式(较简短的表示形式)打印当前时间到标准输出设备:

00:58

前两个数字代表小时,从午夜零时开始计算,后两个数字代表分钟。Announce class 使用了由 .NET class framework 提供的 DateTime class。Announce 类别的定义如下所示。

public class Announce
{
public static void announceDate()
{
DateTime dt = DateTime.Now;
Console.WriteLine( "Today''''s date is {0}",
dt.ToLongDateString() );
}
public void announceTime()
{
DateTime dt = DateTime.Now;
Console.WriteLine( "The current time now is {0}",
dt.ToShortTimeString() );
}
}

要让 theAction 搭载上述方法,我们必须使用 new 表达式创建一个 Action delegate type(译注:即创建一个该类别的对象)。要搭载静态方法,则传入构造函数的引数由三部分组成:该方法所属类别的名称;方法的名称;分隔两个名称用的 dot operator(.):

theAction = new Action( Announce.announceDate );

要搭载非静态方法,则传入构造函数的引数也由三部分组成:该方法所属的类别对象名称;方法的名称;分隔两个名称用的 dot operator(.):

Announce an = new Announce();
theAction= new Action( an.announceTime );

可以注意到, theAction 被直接赋值,事先没有做任何检查(比如,检查它是否已经指代一个堆中的对象,如果是,则先删除该对象)。在 C# 中,存在于 managed heap(受托管的堆)中的对象由运行期环境对其施以垃圾收集动作(garbage collected)。我们不需要显式的删除那些经由 new 表达式分配的对象。

在程序的 managed heap(受托管的堆)中,new 表达式既可以为独个对象做分配

HelloUser myProg = new HelloUser();

也可以为数组对象做分配

string [] messages = new string[ 4 ];

分配语句的形式为:型别的名称,后跟关键字 new,后跟一对圆括弧(表示单个对象)或者方括号(表示数组对象)[1]。(在 C# 语言设计中的一个普遍特征就是,坚持使用单一明晰的形式来区别不同的功用。)

一个快速的概览:Garbage Collection(垃圾收集)
如下述数组对象所示,当我们在 managed heap(受托管的堆)中为 reference type 分配了空间:

int [] fib = new int[6]{ 1,1,2,3,5,8 };

对象自动的维护“指向它的句柄(handles)”之数目。在这个例子中,被 fib 所指向的数组对象有一个关联的引用计数器被初始化为1。如果我们现在初始化另一个句柄,使其指向 fib 所指代的数组对象:

int [] notfib = fib;

这次初始化导致了对 fib 所指代数组对象的一次 shallow copy(浅层拷贝)。这就是说,notfib 现在也指向 fib 所指向的数组对象。该数组对象所关联的引用计数变成了2。

如果我们经由 notfib 修改了数组中某个元素,比如

notfib [ 0 ] = 0;

这个改变对于 fib 也是可见的。如果这种对同一个对象的多重访问方式并非所需,我们就需要编写代码,做一个 deep copy(深层拷贝)。例如,

// 分配另一个数组对象
notfib = new int [6];
// 从 notfib 的第0个元素开始,
// 依次将 fib 中的元素拷贝到 notfib 中去。
// 见注释 [2]
fib.CopyTo( notfib, 0 );

notfib 现在并不指代 fib 所指代的那个对象了。先前被它们两个同时指向的那个对象将其关联的引用计数减去1。notfib 所指代对象的初始引用计数为1。如果我们现在也将 fib 重新赋值为一个新的数组对象——例如,一个包含了Fibonacci数列前12个数值的数组:

fib = new int[12]{ 1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144 };

对于之前被 fib 所指代的那个数组对象,其现在的引用计数变成了0。在 managed heap(受托管的堆)中,当垃圾收集器(garbage collector)处于活动状态时,引用计数为0的对象被其作上删除标记。

定义 Class Properties
现在让我们将 delegate object 声明为 testHarness class 的一个私有静态(private static)成员。例如 [3],

public class testHarness
{
public delegate voidAction();
static privateActiontheAction;
// ...
}

下一步我们要为这个 delegate 成员提供读写访问机制。在 C# 中,我们不要提供显式的内联方法(inline methods)用来读写非公有的数据成员。取而代之,我们为具名的属性(named property)提供 get 和 set 访问符(accessors)。下面是个简单的 delegate property。我们不妨将其称为 Tester:

public class testHarness
{
static public Action Tester
{
get{ return theAction; }
set{ Action = value; }
}
// ...
}

Property(属性)既可以封装静态数据成员,也可以封装非静态数据成员。Tester 就是 delegate type Action 的一个 static property(静态属性)。(可以注意到。我们将 accessor 定义为一个代码区块。编译器内部由此产生 inline method。)

get 必须以 property(属性)的型别作为返回型别。在这个例子中,其直接返回所封装的对象。如果采用“缓式分配(lazy allocation)”,get 可以在初次被唤起的时候建构并存放好对象,以便后用。

类似的,如果我们希望 property(属性)能够支持写入型访问,我们就提供 set accessor。set 中的 value 是一个条件型关键字(conditional-keyword)。也就是说,value 仅在 set property 中具有预定义的含义(译注:也就是说,value 仅在 set 代码段中被看作一个关键字):其总是代表“该 property(属性)之型别”的对象。在我们的例子中,value 是 Action 型别的对象。在运行期间,其被绑定到赋值表达式的右侧。在下面的例子中,

Announce an = new Announce();
testHarnes.Tester =
new testHarness.Action
( an.announceTime );

set 以内联(inline)的方式被展开到 Tester 出现的地方。value 对象被设置为由 new 表达式返回的对象。

唤起 Delegate Object
如之前所见,要唤起由 delegate 所搭载的方法,我们对 delegate 施加 call operator(圆括弧对):

testHarness.Tester();

这一句唤起了Tester property 的 get accessor;get accessor返回 theAction delegate handle。如果 theAction 在此刻并未指向一个 delegate object,那么就会有异常被抛出。从类别外部实行唤起动作的规范做法(delegate-test-and-execute,先实现代理,再测试,最后执行之)如下所示:

if ( testHarness.Tester != null )
testHarness.Tester();

对于 testHarness class,我们的方法只简单的封装这样的测试:

static public void run()
{
if ( theAction != null )
theAction();
}

关联多个 Delegate Objects
要让一个 delegate 搭载多个方法,我们主要使用 += operator 和 -= operator。例如,设想我们定义了一个 testHashtable class。在构造函数中,我们把各个关联的测试加入到 testHarness 中:

public class testHashtable
{
public void test0();
public void test1();
testHashtable()
{
testHarness.Tester += new testHarness.Action( test0 );
testHarness.Tester += new testHarness.Action( test1 );
}
// ...
}

同样,如果我们定义一个 testArrayList class,我们也在 default constructor 中加入关联的测试。可以注意到,这些方法是静态的。

public class testArrayList
{
static public void testCapacity();
static public void testSearch();
static public void testSort();
testArrayList()
{
testHarness.Tester += new
testHarness.Action(testCapacity);
testHarness.Tester += new testHarness.Action(testSearch);
testHarness.Tester += new testHarness.Action(testSort);
}
// ...
}

当 testHarness.run 方法被唤起时,通常我们并不知道 testHashtable 和 testArrayList 中哪一个的方法先被唤起;这取决于它们构造函数被唤起的顺序。但我们可以知道的是,对于每个类别,其方法被唤起的顺序就是方法被加入 delegate 的顺序。

Delegate Objects 与 Garbage Collection(垃圾收集)
考察下列局部作用域中的代码段:

{
Announce an = new Announce();
testHarness.Tester +=
new testHarness.Action
( an.announceTime );
}

当我们将一个非静态方法加入到 delegate object 中之后,该方法的地址,以及“用来唤起该方法,指向类别对象的句柄(handle)”都被存储起来。这导致该类别对象所关联的引用计数自动增加。

an 经由 new 表达式初始化之后,managed heap(受托管的堆)中的对象所关联的引用计数被初始化为1。当 an 被传给 delegate object 的构造函数之后,Announce 对象的引用计数增加到2。走出局部作用域之后,an 的生存期结束,该引用计数减回到1——delegate object还占用了一个。

好消息是,如果有一个 delegate 引用了某对象的一个方法,那么可以保证该对象会直到“delegate object 不再引用该方法”的时候才会被施以垃圾收集处理[4]。我们不用担心对象会在自己眼皮底下被贸然清理掉了。坏消息是,该对象将持续存在(译注:这可能是不必要的),直到 delegate object 不再引用其方法为止。可以使用 -= operator 从 delegate object 中移除该方法。例如下面修正版本的代码;在局部作用域中,announceTime 先被设置、执行,然后又从 delegate object 中被移除。

{
Announce an = new Announce();
Action act= new testHarness.Action( an.announceTime );
testHarness.Tester += act;
testHarness.run();
testHarness.Tester -= act;
}

我们对于设计 testHashtable class 的初始想法是,实现一个析构函数用以移除在构造函数中加入的测试用方法。然而,C# 中的析构函数调用机制与 C++ 中的却不大相同[5]。C# 的析构函数既不会因为对象生存期结束而跟着被唤起,也不会因为释放了对象最后一个引用句柄( reference handle)而被直接唤起。事实上,析构函数仅在垃圾收集器作垃圾收集时才被调用,而施行垃圾收集的时机一般是无法预料的,甚至可以根本就没施行垃圾收集。

C# 规定,资源去配动作被放进一个称为 Dispose 的方法中完成,用户可以直接调用该方法:

public void Dispose ()
{
testHarness.Tester -= new testHarness.Action( test0 );
testHarness.Tester -= new testHarness.Action( test1 );
}

如果某类别定义了一个析构函数,其通常都会唤起 Dispose。

访问底层的类别接口
让我们再回头看看先前的代码:

{
Announce an = new Announce();
Action act=
new testHarness.Action
( an.announceTime );
testHarness.Tester += act;
testHarness.run();
testHarness.Tester -= act;
}

另一种实现方案是,先检查 Tester 当前是否已经搭载了其它方法,如果是,则保存当前的委托列表(delegation list),将 Tester 重置为 act,然后调用 run,最后将 Tester 恢复为原来的状态。

我们可以利用底层的 Delegate 类别接口来获知 delegate 实际搭载的方法数目。例如,

if ( testHarness.Tester != null &&
testHarnest.GetInvocationList().Length != 0 )
{
Action oldAct = testHarness.Tester;
testHarness.Tester = act;
testHarness.run();
testHarness.Tester = oldAct;
}
else { ... }

GetInvocationList 返回 Delegate class objects 数组,数组的每个元素即代表该 delegate 当前搭载的一个方法。Length 是底层 Array class 的一个 property(属性)。Array class 实现了 C# 内建数组型别的语义[6]。

经由 Delegate class 的 Method property,我们可以获取被搭载方法的全部运行期信息。如果方法是非静态的,那么经由 Delegate class 的 Target property,我们更可以获取调用该方法之对象(译注:即该方法所属类别的那个对象)的全部运行期信息。在下面例子中,Delegate 的 methods(方法) 和 properties(属性)用红色表示:

If (testHarness.Tester != null )
{
Delegate [] methods = test.Tester.GetInvocationList();
foreach ( Delegate d in methods )
{
MethodInfo theFunction = d.Method;
TypetheTarget= d.Target.GetType();
// 好的:现在我们可以知道 delegate 所搭载方法的全部信息
}
}
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