C#委托浅析与漫谈

ndn4open 6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>    <p> </p>