C#委托浅析与漫谈
fayg6002
8年前
<h2>1. 概述</h2> <p>委托是C#区别于其他语言的一个特色，用它我们能写出简洁优雅的代码、能很方便的实现对象间的交互。</p> <p>初学者可能会觉得委托体系很复杂：lambda表达式、语句lambda、匿名方法、委托、事件，光名词就一堆。其实 <strong>这些只是C#编译器为我们提供的语法糖</strong> ，在编译后它们都是MulticastDelegate类型的对象。而且从用途上讲主要也就两方面： <strong>将“方法对象化”和实现“观察者模式”</strong> ，本文围绕这两方面，分享本人对委托中相关概念的理解，顺便介绍一些相关的其它东西。</p> <h2>2. 闭包</h2> <p>闭包似乎在javascript里谈得比较多，其实只要支持定义”局部函数”的语言都会涉及到”闭包”的概念，像C++11的lambda、java的匿名内部类、Smalltalk的Block等。</p> <p>在C#中也有闭包，比如下面这个简单的例子：</p> <p>例1</p> <pre> <code class="language-cs">int[] scores = { 100, 80, 60, 40, 20 }; var min = 60; var passed = scores.Where((int i) => { return i >= min; });</code></pre> <p>这里向Count这个扩展方法传入了一个匿名方法，注意这里变量min对于这个匿名方法很特殊，它对匿名方法来说叫”自由变量（free variable）”（与之相对的叫”bound variable”），因为它不是该匿名方法的参数，也不是它的局部变量，这段代码能成功编译是因为从 <strong>词法作用域</strong> 的角度看，min这个变量对于匿名方法内部是可见的。</p> <h2>2.1 词法作用域（lexical scoping）</h2> <p>首先我们搞清一些概念：</p> <ul> <li>scope：英语中有“视野”之义，表示 <strong>符号名的可见范围</strong> 。</li> <li>extent：或叫lifetime，表示 <strong>变量的一生</strong> 。scope有时会影响extent。</li> </ul> <p>JavaScript中的变量提升</p> <p>关于这两者区别的一个例子就是javascript中的“变量提升”：</p> <p>例2</p> <pre> <code class="language-cs">text = 'global variable'; function test(){ alert(text);//猜猜这里会弹出什么？ var text = "local variable"; }; test();</code></pre> <p>答案是弹出”undefined”。为什么？因为首先javascript是函数作用域，第二javascript中的 <strong>局部变量名的scope贯穿整个函数</strong> ，即函数中变量名在函数起始到结束范围内都是有效的，所以调用alert时text这个变量名被解析为局部变量，而这时还未执行到赋值语句，也就是局部text的extent还未开始，text只是个有效的变量名，并没有指向一个有效的对象，因此会弹出”undefined”。</p> <p>好，我们继续</p> <p>什么是词法作用域？</p> <p>“词法作用域”也叫 <strong>静态作用域(static scoping)</strong> ，”词法”表示源代码级别，”静态”指发生在解释时/编译时（与之相对是运行时），根据字面可理解为“变量在源代码中的可见范围”。</p> <p>因为是基于源代码的，所以看上去很符合我们的直观感受，大多数的编程语言，包括许多动态语言，都使用词法作用域的规则来进行标识符解析的。C#也不例外。</p> <p>我们通常所称的“闭包”全称叫“词法闭包”，它是指 <strong>存储了一个函数和创建该函数时所处词法环境的对象</strong> 。在闭包中，它访问的外部变量叫做“ <strong>被捕捉的变量（captured variable）</strong> ”。比如上面 <strong>例1</strong> 中，第3行，匿名方法内部使用了min这个符号，但min既不是匿名方法的参数，也不是它的局部变量，所以编译器开始从定义这个匿名方法的词法环境开始向上不断搜索min这个符号，成功找到后，将它“捕捉”进匿名方法里，形成“闭包”，传递给Count方法的其实是这个“闭包”。</p> <p>“捕捉”到底是什么意思？把它复制一份？还是保存它的引用？带着疑问猜猜下面C#代码的执行结果：</p> <p>例3</p> <pre> <code class="language-cs">class Program { static void Main() { foreach(var i in MakeClosures(3)) { i();//每次执行的结果是什么 } Console.ReadKey(); } static IEnumerableMakeClosures(int count) { var closures = new List(); for (var i = 0; i Add(() => Console.WriteLine(++i)); return closures; } }</code></pre> <p>我们来分析一下。首先，C#中的捕捉是“ <strong>按引用捕捉</strong> ”，所以：</p> <ul> <li>在循环中创建闭包时捕捉的并 <strong>不是i那个时刻的值，而是i的引用，是i这个对象本身</strong> ，所以这些闭包共享同一个i</li> <li>i在循环中不断更新，当第一个闭包被调用时i == count</li> </ul> <p>所以这段代码的运行结果是”4,5,6″。</p> <p>为什么循环结束了i还能被访问？因为它被捕捉到了闭包里，它的extent被延长到至少和闭包对象一样长。</p> <p>大多数语言的闭包都是按引用捕捉（更符合直观感受），java比较非主流，它是按值捕捉（即复制，注意引用类型是复制引用）。所以请看下面的java代码：</p> <pre> <code class="language-cs">public class Main{ public static void main(String[] args){ int i = 1; Runnable runnable = new Runnable(){ @Override public void run(){ i = 2; } }; runnable.run(); } }</code></pre> <p>编译这段代码会报错：local variables referenced from an inner class must be final or effectively final，意思说”被内部类引用的局部变量必须由final修饰或实际上就是final的（就是自始至终都没有被重新赋值）”。</p> <p>为什会这样呢？因为从直觉上看，这段代码执行runnable.run()后i应该变成2，但java是按值捕捉，i并不会变，为避免误解，所以Java语言规定被内部类访问的外部变量要是不可变。</p> <p>要突破这一限制，我们可以“手动实现按引用捕捉”，即创建一个类，把需要修改的变量放到那个类里。</p> <p>C++的lambda很灵活，它允许我们指定捕捉哪些变量、按值还是按引用捕捉。在构建闭包时，编译器生成一个重载了”()”操作符的类，把被捕捉的变量定义为它的成员。</p> <p>C#编译器是如何实现闭包的？</p> <p>CLR的类型系统中并没有“匿名方法”、“闭包”这些概念，其实C#编译器为我们生成了一些代码，比如生成一个类，把被捕捉的变量和匿名方法打包进去，变成实例变量和实例方法。但具体怎么实现并没有具体的标准，只要能符合语言规范就行，所以这个不必深究，有兴趣的自己可以用反编译工具查看一下。</p> <h2>3. 多播委托、事件与观察者模式</h2> <p>观察者模式也叫”发布者/订阅者模式”是GoF设计模式中比较常用的一个，它是用来解决“一个对象需要在特定时刻通知n个其它对象”的问题的。</p> <p>比如：mvc中model在自己属性发生改变时发布广播，事先关注了的view会收到并更新自已的状态，使界面与程序内部状态保持同步，同时又保持了内部逻辑与界面的良好分离。</p> <p>这里我演示一个简单的例子：</p> <p>实现一个下载程序，下载时能显示进度。为实现逻辑与界面的分离，我们设计两个类：</p> <ul> <li>Downloader ：下载器，用于执行下载任务</li> <li>ProgressView：进度界面，显示进度条和百分比</li> </ul> <p>那么问题来了，下载器如何通知界面更新？直接告诉它（调用它的一个方法）？如果这样么做的话下载器和界面的耦合度就会过高，这里我们可以运用“依赖倒置”的思想，加入一个IProgressMonitor接口。于是初步设计是这样的： <img src="https://simg.open-open.com/show/d71d484cbb638a2d68cd0a45881237d5.png"> 代码：</p> <ul> <li>IProgressMonitor.cs <pre> <code class="language-cs">//进度监视接口 interface IProgressMonitor { void OnProgress(int done, int total); }</code></pre> </li> <li>ProgressVeiw.cs <pre> <code class="language-cs">class ProgressVeiw : IProgressMonitor { const int LENGTH = 50; string _last = String.Empty; public void OnProgress(int done, int total) { var builder = new StringBuilder(); builder.Append('['); var filled = (int)(done / (total + 0.0) * LENGTH); for (var i = 0; i Append(i ' : '_'); } builder.Append(']'); if (done != total) builder.AppendFormat(" {0:p0}", done / (total + 0.0)); else builder.Append(" 完成！"); //回退之前打印的字符 for (var i = 0; i Length; ++i) Console.Write('b'); var state = builder.ToString(); _last = state; Console.Write(state); } }</code></pre> </li> <li>Downloader.cs <pre> <code class="language-cs">class Downloader { public void Download(string resource) { for (int i = 1, size = 10; i this.OnProrgess(i, size); Thread.Sleep(500); } } public void AddMonitor(IProgressMonitor monitor) { this._monitors.Add(monitor); } public void RemoveMonitor(IProgressMonitor monitor) { this._monitors.Remove(monitor); } private void OnProrgess(int done, int total) { foreach (var i in this._monitors) { i.OnProgress(done, total); } } private ICollection _monitors = new List();//进度监视者集合 }</code></pre> </li> <li>Program.cs <pre> <code class="language-cs">class Program { static void Main(string[] args) { var resouce = "visual studio.iso"; var downloader = new Downloader(); downloader.AddMonitor(new ProgressVeiw()); Console.WriteLine("正在下载 " + resouce); downloader.Download(resouce); Console.ReadKey(); } }</code></pre> </li> </ul> <p>整个逻辑是这样的：</p> <ul> <li>创建下载器</li> <li>ProgressView对下载进度“ <strong>感兴趣</strong> ”，就到下载器那“ <strong>登记一下</strong> ”</li> <li>下载器开始下载</li> <li>下载器下载过程进度有变化时就通知已登记了的对象，具体这些对象要干嘛，它不管，它只负责通知</li> <li>ProgressView收到通知，更新界面</li> </ul> <p>从代码中可以看到，实现“登记”、“通知”是通过手动操作一个集合实现的，其实这种功能.Net已经帮我们实现，那就是多播委托。</p> <h2>3.1 多播委托（MulticastDelegate）</h2> <p>委托类层次图</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/c7111b8765740775706893d8d3140348.jpg"></p> <p>.Net中所有具体委托类型其实都继承自MulticastDelegate，多播委托内部有一个数组，用来保存其它委托，这就是所谓的“委托链”，有了它就可以对多个委托进行组合，让一个委托可以一次执行多个操作。比如：</p> <pre> <code class="language-cs">Action act = ()=>Console.WriteLine("动作1"); act += ()=>Console.WriteLine("动作2"); act += ()=>Console.WriteLine("动作3"); act();//将打印出三行文字</code></pre> <p>这里编译器其实把 += 操作符替换成了Delegate.Combine(Delegate a, Delegate b)方法，该方法内部又是直接调用第一个参数的CombineImpl方法。有兴趣的可以阅读其 <a href="/misc/goto?guid=4959670958459664659" rel="nofollow,noindex">源码</a> 。</p> <p>因此多播委托的作用在于，现实观察者模式就不用手动维护一个订阅者集合了。于是上面的例子可以重构成这样：</p> <ul> <li>Downloader.cs <pre> <code class="language-cs">class Downloader { public void Download(string resource) { for (int i = 1, size = 10; i this.OnProrgess(i, size); Thread.Sleep(500); } } //因为有多播委托，所以这里不需要“登记”、“注销”方法了 private void OnProrgess(int done, int total) { if (this.DownloadProgress != null) this.DownloadProgress(done, total); } //NOTE: 这里为了用 +=,-=操作符替代“登记”、“注销”方法，不得以将订阅者集合暴露出去 public Actionint, int> DownloadProgress;//进度回调链 }</code></pre> </li> <li>删除IProgressMonitor接口，因为只需要委托签名匹配即可，不需要用接口来约束</li> <li>Program.cs <pre> <code class="language-cs">class Program { static void Main(string[] args) { var resouce = "visual studio.iso"; var downloader = new Downloader(); downloader.DownloadProgress += new ProgressVeiw().OnProgress; Console.WriteLine("正在下载 " + resouce); downloader.Download(resouce); Console.ReadKey(); } }</code></pre> </li> </ul> <p>注意上面Downloader.cs注释中的 <em>NOTE</em> 标记，在观察者模式中，发布者应该是它自己发布消息，而此处是public修饰，可以直接在外部调用，违背了观察者模式，因此我们需要使用 <strong>事件</strong> 来进行访问控制。</p> <h2>3.2 事件</h2> <p>方法相当简单，只需要添加一个 event 关键字</p> <pre> <code class="language-cs">//用event修饰，这样外部只能进行-=、+=操作，调用只能在本类内部进行 public event Actionint, int> DownloadProgress;//进度事件</code></pre> <p>那事件和委托有什么区别？其实事件和属性一样，属语法糖，编译器会为我们生成访问器方法和实际的实例变量。</p> <p>比如上面，编译器生成了Action成员，把事件的+=,-=转换为一对public的addXxx、removeXxx方法。</p> <p>如果不想让编译器为我们自动生成委托成员，我们也可以手动实现，如：</p> <pre> <code class="language-cs">public event Actionint, int> DownloadProgress { add { _downloadProgress += value; } remove { _downloadProgress -= value; } } private Actionint, int> _downloadProgress;</code></pre> <p>所以事件的作用在于，实现观察者模式只需要用event关键字定义一个实例变量即可</p> <h2>其它语言相关概念</h2> <h2>C++</h2> <p>C/C++中的 <strong>函数指针</strong> 与.Net中委托的区别在于</p> <ul> <li>函数指针很“赤裸”，就是一个unsigned int类型的值，表示函数第一条CPU指令的内存地址</li> <li>委托是比较复杂的CLR对象，内部封装了目标对象和方法指针，多播委托内部还维护了一个委托链</li> </ul> <p>C++虽然没有内置观察者模式的实现，但许多第三方库如qt、boost都提供了“信号(signal)-槽(slot)”的功能。信号相当于.Net中的事件，槽相当于事件处理方法。使用boost的signals2时需要注意的是，它实现的线程安全是指一个线程中添加、移除slot，不会影响另一个线程遍历slot集合。我们仍要注意对象被销毁的问题，比如一个slot在某线程中正在执行，而同时signal所属的那个对象在另一个线程被销毁了，这时访问那个对象会不会导致程序crash就要看运气了。</p> <h2>Java</h2> <p>java没有匿名方法的语法，但可以用”匿名内部类 + 单方法接口”代替，java8对语法和api进行了扩展，引入了lambda，其实只是语法糖，本质还是接口。有一些第三方类库提供了观察者模式的实现，比如：谷歌guava中的EventBus。</p> <h2>Ruby</h2> <p>ruby语法非常丰富，这里介绍下它的block（代码块，一种匿名方法的语法： do |param| ...end 和 { |param| do_something param } ，这个概念来自Smalltalk）。</p> <p>我们在写程序时会经常需要实现“回调”的功能，即接收一个函数，然后在适当的时刻调用它，ruby直接原生支持了，任何方法都可以接收一个block作为隐式的参数，不用在参数列表中显式声明，在方法里可以用yield关键字调用传进来的block。如：</p> <pre> <code class="language-cs">def process_data data do_work(data) # 假装在处理数据 yield data if block_given? # 如果有block则调用它 end process_data([1, 2, 3]) do |data| puts '处理完成！' end</code></pre> <p>再比如核心库中的File::open方法</p> <pre> <code class="language-cs"># 调用该方法时如果 # 传入block则将打开的文件传给block，本方法结束后文件对象被销毁，这样就不用麻烦调用者关闭文件了 # 否则 # 返回文件对象 File.open('file.txt') do |f| puts f.readlines # 打印出所有行 end</code></pre> <p>再看ruby的一个web框架 <a href="/misc/goto?guid=4958531683356992146" rel="nofollow,noindex">Sinatra</a> 的API</p> <pre> <code class="language-cs">get '/home/index' do '我是对get请求的响应' end post '/home/index' do '我是对post请求的响应' end</code></pre> <p>用这种语法来写HTTP Web应用是不是很爽？因为这种API设计可以算是实现了一种HTTP的DSL（领域专用语言）了。</p> <p>如果你喜欢这种风格，可以试试.Net的开源web框架 <a href="/misc/goto?guid=4959551215828201559" rel="nofollow,noindex">Nancy</a> ，我已用她写了两个项目，API很实用，比ASP.NET MVC灵活。</p> <p>这里简单展示一下她的特色：content negotiation（内容协商，根据客户端请求返回指定类型内容）</p> <pre> <code class="language-cs">Get["/"] = parameters => { //这里返回的对象会被传递到nancy的content negotiation管道 //然后会检查请求头的accept类型，比如 如果是xml则该对象被序列化为xml，如果是json则被序列为json return new MyModel(); };</code></pre> <p>来自： <a href="/misc/goto?guid=4959670958605461211" rel="nofollow">http://blog.jobbole.com/99738/</a> </p>